变量与常量

在讲基本语法时，我们故意地忽略了函数的参数、返回值相关的深入知识。在这一章里，我们将连同这些知识一起，统一介绍在WASM中的变量与常量。

局部变量

我们之前提到过，在WebAssembly Is Not a Stack Machine一文中指出，WASM的局部变量设计让它不是一个真正的栈机，甚至可以说是一个寄存器机。同时，这也让WASM代码很难变成SSA形式，从而难以利用SSA的各种优化。那么，我们来看看，WASM的局部变量究竟是如何设计的。

在WASM中，我们可以这样声明一个函数：

(func (param $a i32) (param $b i32) (result i32)
    (local $c i32)
    ;; ...
)

在这里，我们定义了一个函数，它接受两个i32类型的参数，返回一个i32类型的值，并且主动声明了一个i32类型的局部变量。事实上，与C语言类似，除了我们主动声明的局部变量外，函数的参数也可以看做局部变量。也就是说，这个函数的局部变量，是$a、$b和$c。因此，我们之前提到，除了可以通过标识符来引用WASM的元素之外，也可以通过每个元素自带的编号来引用。而对于局部变量来说，其编号是从参数开始编的。也就是说，对于我们这个函数来说，参数$a的编号是0，而局部变量$c的编号是2。

对于局部变量，我们最常做的两个操作是local.get和local.set。例如：

local.get $a

将返回局部变量$a的值，也就是说往栈上压入一个$a的值。

local.set $a

则是将栈顶元素弹出，并赋值给局部变量$a。

在我们使用高级语言编程的过程中，一个常见的编程错误是使用未初始化的变量。例如，当我们在Rust中写下如下语句：

fn foo() {
    let a: i32;
    let b = a - 1;
}

会报错：

error[E0381]: used binding `a` isn't initialized
 --> src/lib.rs:3:13
  |
2 |     let a: i32;
  |         - binding declared here but left uninitialized
3 |     let b = a - 1;
  |             ^ `a` used here but it isn't initialized
  |
help: consider assigning a value
  |
2 |     let a: i32 = 0;
  |                +++

很显然，使用未初始化的变量会造成程序错误。

在WASM中，我们会遇到同样的问题吗？我们可以编写如下程序：

(module
    (func (export "local_initialize") (result i32)
        (local $dummy i32)
        local.get $dummy
    )
)

我们并没有手动给$dummy变量赋值，那么我们直接获取它的值会发生什么呢？我们可以把这个程序放在各种WASM引擎中运行，会发现这个函数顺利通过了「验证」阶段，并且执行的结果是0。

事实上，在WASM的核心标准中（这一段）规定了，在调用一个函数的时候，它的局部变量是已经被初始化了的。而对于我们常用的数字类型来说，其默认值就是0。因此，在WASM中，不会出现使用未初始化的局部变量的问题（顺便一提，在Function Reference Types Proposal这个提案中引入了非Null的引用类型，这种类型就没有默认值了）。

寄存器机

我们可以声明任意多个局部变量，而这些局部变量，都可以用来存放--获取值。所以，一个局部变量实际上就是一个寄存器，而我们的WASM，实际上变成了一个拥有无数个寄存器的寄存器机！

这该如何理解呢？我们知道，寄存器机就是可以把变量临时存放在寄存器中，在参与运算的时候，将寄存器的值给相应的指令即可。那么，例如对于i32.add指令，我们可以将其操作数利用local.set先存放在两个局部变量中。在执行指令之前，再使用local.get将两个局部变量的值读出放在栈上，就模拟出了寄存器机。

寄存器机好不好呢？我只能说，SSA的寄存器机是好文明。所谓SSA，简单来说就是指任何一个寄存器的值都是不可变的。如果我们想改变一个寄存器的值，那最好的方法就是再用一个新的寄存器。SSA的寄存器机编写的代码，能够非常高效地进行各种程序自动分析算法，例如活性检测算法等，从而能得到更好的优化结果。LLVM IR就是一个著名的SSA的寄存器机。但很显然，WASM不是一个SSA的寄存器机。直观上来看，在对栈机编写的代码进行程序分析时，可以轻松地将其转变为SSA的寄存器机。

局部变量的必要性

为什么WASM会引入局部变量，而让它不完全是一个栈机，甚至不是SSA的寄存器机呢？从历史上看，WASM设计之初的目标并不是成为一个底层指令集，而且也没有很好的编译器实现，所以就自然引入了局部变量机制（详情可看这一节）。

但是对于这样的底层语言来说，历史原因往往并不重要，因为大部分情况下，WASM都是直接由编译器自高级语言生成。所以如果我们不想被局部变量破坏了我们的栈机，为什么不直接让编译器不生成局部变量呢？因此，这就涉及到了局部变量的必要性。也就是说，在WASM代码中，有一些事，不能通过栈机来实现，而只能通过局部变量来实现。

这里需要指出，WASM层面的局部变量的必要性，并不与高级语言层面的局部变量的必要性挂钩。例如我们的C语言程序

int a = 1 + 2;
int b = 3 * 4;
int c = a & b;
int d = 5 - 2;
int e = c / d;

尽管这里C语言中用了好多局部变量，但是这些仍然可以只用栈机来描述，也就是通过压栈、弹栈，而不通过存放寄存器，仍然能够实现这样的操作。那究竟怎样的操作不能通过栈机来描述呢？

第一个原因是语言设计上的限制。首先，在很早之前，WASM的局部作用域（比如说block）是不能读取这个作用域开始之前的栈上的内容的，因此只能通过局部变量来传递一些值。这个问题在「WASM is not a stack machine」这篇文章里被着重强调了。

但到了2023年的今天，multi-value提案已经成了标准化的WASM特性，被各大引擎都实现了，上述这个问题也不再是问题了。那我们还有用局部变量的必要性吗？

针对这个问题，我特意请教了之前这篇文章的作者JEF。我节选一下他关于这的回信：

I believe that locals are still necessary as (as far as I know) Wasm still doesn't have any stack manipulation instructions such as peek and poke. This means that if you want to store values for later you still need locals.

简单来说，第二个问题是复用的问题。我们在编程的过程中，往往需要变量的复用，如在C语言中：

int a = 1 + 2;
int b = 3 * a;
int c = a & b;
int d = 5 - a;
int e = a + c / d;

可以看到，这里变量a在很多语句中都被使用。但是对于栈机来说，不能保证每次在构建这些值的时候，a的值都在栈顶。对于真正的栈机，往往会提供peek和poke指令。peek可以将此时栈上指定位置的值复制到栈顶，而poke则可将栈顶的值插入到栈的指定位置中。目前WASM并没有这样的指令，不过我们可以模拟出来，之后在控制语句与基本块一章中，我们会给出一个实际的例子。

所以在WASM中，我们仍然需要局部变量机制来存储这些值，也就是说，在计算出a的值后，我们需要一个local.set将其临时存储。在之后计算别的值的时候如果需要用到a，再使用local.get。

常量

我们之前的WASM代码中，指令的操作数最终都是通过local.get来获得的，但是往往我们还是会需要常量的，比如说b = a + 1，其一个操作数可以通过local.get来获取，但是另一个操作数就需要常量1。

在WASM中，我们可以使用

i32.const 1

这种语句来获得一个常量1。

全局变量

WASM也支持全局变量。我们可以用global来声明，通过global.get来获取。例如：

(module
    (global $kitzuki i32 (i32.const 323))
    (func $get_kitzuki (result i32)
        global.get $kitzuki
    )
)

我们声明了一个叫$kitzuki的全局变量，其初始值为323（WASM的全局变量必须初始化）。随后，我们在函数$get_kitzuiki中，使用了global.get获取了这个全局变量的值。

对于全局变量的设置，也就是global.set，则有一点点不太一样。正如Rust需要特别使用static mut来声明可变的静态变量，在WASM中，我们也需要mut来声明可变的全局变量：

(module
    (global $kitzuki (mut i32) (i32.const 323))
    (func $set_kitzuki
        (global.set $kitzuki (i32.const 1219))
    )
)

在这里，我们声明了一个可变的全局变量$kitzuki，初始值为323。随后，我们使用global.set给其赋值为1219。

在WASM中，全局变量和局部变量类似，也会破坏栈机的性质。不过对于目前现代化的高级语言以及高级的编程模型，我们往往并不需要全局变量。全局变量在WASM中还有一个作用是通过导入与导出，与外界传递信息。不过这个留在之后的章节再说。