Wasm介绍之5：控制指令

WebAssembly（简称Wasm）控制指令一共有11条，其中unreachable指令（操作码0x00）和nop指令（操作码0x01）比较简单，不介绍。call指令（操作码0x10）已经在上一篇文章里介绍，call_indirect指令（操作码0x11）将在下一篇文章里介绍。本文重点讨论block（操作码0x02）、loop（操作码0x03）、if（操作码0x04）、br（操作码0x0C）、br_if（操作码0x0D）、br_table（操作码0x0E）和return（操作码0x0F）这7条指令。

block

block指令相当于一个无参的内联（inline）函数调用。函数的返回值类型，也就是block指令的结果类型（Result Type，在后面的示意图中简称rt）编码后存储在指令的第一个立即数参数里。函数的指令（可能有很多条）编码后存储在第二个立即数参数里。block指令必须以end指令（操作码0x0B）结尾。由于end指令和后面将要介绍的else指令（操作码0x05）只起到标记作用，没有任何执行效果，所以没有把这两条指令计入控制指令。

Wasm1.0规范规定block指令的结果不能超过一个，所以rt可以用一个字节表示：0x40表示没有结果、0x7F表示i32类型、0x7E表示i64类型、0x7D表示f32类型、0x7C表示f64类型。根据讨论可知，block指令在执行时不会使用栈上已经存在的任何操作数，执行完毕后可能会在栈顶留下一个操作数，下面是它的示意图：

bytecode: ...][ block ][ rt ][ instrs ][ end ][... stack: | | | | | | ?| ?(rt) | # exec(instrs) | d | | d | | c | | c | | b | | b | | a | | a | └───────────┘ └───────────┘

下面是一个非常简单的WAT例子，展示了block指令的用法：

(module (func (result i32) ;; ... other instructions (block (result i32) (i32.const 100) ) ) )

loop

loop指令和block指令非常相似，区别仅在于如何跳出控制块。后文介绍br指令时会进一步讨论这个区别，下面先给出一个跳转示意图：

...][ block ][ rt ]...[ br ]...[ end ][... | ↑ └────────┘ ...][ loop ][ rt ]...[ br ]...[ end ][... ↑ | └───────────────┘

if

和block指令类似，if指令也类似于一个内联函数。区别主要有两点。第一，if内联函数带一个i32类型的参数。第二，if内联函数带有两份代码（两条分支），中间用else指令隔开。if指令执行时，会先从栈顶弹出这个i32类型的参数，如果参数值不等于0，则执行分支1代码，否则执行分支2代码。下面是if指令的示意图：

bytecode: ...][ if ][ rt ][ instrs1 ][ else ][ instrs2 ][ end ][... stack: | | | | | e(i32) |? ?| ?(rt) | # exec(e!=0?instrs1:instrs2) | d | | d | | c | | c | | b | | b | | a | | a | └───────────┘ └───────────┘

也可以把if指令的else分支省略，但是这种情况下if指令不能有任何结果。下面是省略else分支时if指令的示意图：

bytecode: ...][ if ][ 0x40 ][ instrs1 ][ end ][... stack: | | | | | e(i32) |? | | # e==1?exec(instrs1) | d | | d | | c | | c | | b | | b | | a | | a | └───────────┘ └───────────┘

下面这个WAT例子展示了如何用if指令实现max()函数：

(module (func $max (param $a i32) (param $b i32) (result i32) (i32.gt_s (local.get $a) (local.get $b)) (if (result i32) (then (local.get $a)) (else (local.get $b)) ) ) )

br

br指令（可以理解为break，或者branch）可以进行无条件跳转。和传统汇编语言里的JUMP指令不同，br指令并不能跳转到任意位置，而只能跳出（相对于block和if指令而言是跳出，相对于loop指令而言是重新开始，后面不再强调）其他控制指令产生的控制块。br指令带有一个u32类型（32位无符号整数）的立即数参数，指定跳转的层数：0表示跳出当前循环，1代表跳出2层循环，以此类推。下面是一个WAT例子，展示了嵌套的block，以及br指令的用法：

(module (func (export "main") (result i32) (i32.const 100) (block (result i32) (i32.const 200) (block (result i32) (i32.const 300) (block (result i32) (i32.const 123) (br n) ) (i32.add) ) (i32.add) ) (i32.add) ) )

假设上面例子中的main()函数已经执行到了br指令这里，下图展示了跳转层数分别为0、1、2、3时操作数栈的变化情况：

bytecode: ...][ br ][ depth ][... stack: | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 123 | | 123 | | | | | | | | 300 | | 300 | | 123 | | | | | | 200 | | 200 | | 200 | | 123 | | | | 100 | | 100 | | 100 | | 100 | | 123 | └───────────┘ └───────────┘ └───────────┘ └───────────┘ └───────────┘ (before br) n==0 n==1 n==2 n==3

br_if

br_if指令从栈顶弹出一个i32类型的操作数，如果操作数的值为0，则不跳转，否则执行br逻辑。下面是br_if指令的示意图：

bytecode: ...][ br_if ][ depth ][... stack: | | | | | e(i32) |? | | | d | | ? | # e!=0?br(depth) | c | | | | b | | | | a | | | └───────────┘ └───────────┘

下面是一个稍微复杂一些的WAT例子，展示了如何用loop和br_if指令实现sum()函数：

(module (func $sum (param $from i32) (param $to i32) (result i32) (local $n i32) (loop $l ;; $n += $from (local.set $n (i32.add (local.get $n) (local.get $from))) ;; $from++ (local.set $from (i32.add (local.get $from) (i32.const 1))) ;; if $from <= $to { continue } (br_if $l (i32.le_s (local.get $from) (local.get $to))) ) ;; return $n (local.get $n) ) )

请注意loop指令并不会自动循环，必须和br等跳转指令配合使用。

br_table

不管是br还是br_if指令，都只有一个立即数参数，能指定一个跳转深度。br_table指令打破了这种限制，可以带N+1个立即数参数，指定N+1个跳转深度。br_table指令执行时，会从栈顶弹出一个i32类型的操作数n。如果n小于或等于N，则按第n个深度跳转，否则按照最后一个深度跳转。下面是br_table指令的示意图：

bytecode: ...][ br_table ][ labels... ][ default ][... stack: | | | | | n(i32) |? | | | d | | ? | # d<len(labels)?br(labels[n]):br(default) | c | | | | b | | | | a | | | └───────────┘ └───────────┘

return

return指令可以认为是br指令的特殊形式：直接跳出最外层循环（也就是整个函数）。return指令没有立即数参数，不画示意图了。下面的WAT例子展示了如何用block、br_table和return指令实现Go等高级语言中的switch-case语句：

(module (func $select3 (param $n i32) (param i32 i32 i32) (result i32) (block (block (block (local.get $n) (br_table 0 1 2) ) (return (local.get 1)) ) (return (local.get 2)) ) (return (local.get 3)) ) )

如果把上面例子中定义的select3()函数翻译成Go语言代码的话，应该是下面这样：

func select3(n, a, b, c int32) int32 { switch n { case 0 : return a case 1 : return b default: return c } }

*本文由CoinEx Chain开发团队成员Chase撰写。CoinEx Chain是全球首条基于Tendermint共识协议和Cosmos SDK开发的DEX专用公链，借助IBC来实现DEX公链、智能合约链、隐私链三条链合一的方式去解决可扩展性（Scalability）、去中心化（Decentralization）、安全性（security）区块链不可能三角的问题，能够高性能的支持数字资产的交易以及基于智能合约的Defi应用。

本文来源：CoinEx公链Talk
原文标题：Wasm介绍之5：控制指令

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编译者/作者：CoinEx公链Talk

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