Substrate 入门(9) - Runtime的wasm与native

本篇文章就来具体介绍 Runtime 编译成 wasm 所需要的条件

Substrate 入门专题,目前有以下几篇文章:

上一篇文章已经介绍了 Substrate Runtime 的设计概要,结合之前的文章,在此设计的基础上我们必须明白以下几点:

  1. Runtime 是一个隔离的环境,其通过 API 与外界通信,通信时需要加载上指定块高以对应加载的状态
  2. Substrate 的 Runtime 是同一份代码编译出两种执行文件,rust 的 native 与能在 wasm 虚拟机下运行的 wasm,通过启动节点时制定的参与及硬编码进入执行文件中的 Runtime 版本信息觉得执行哪一份文件

因此本篇文章就来具体介绍 Runtime 编译成 wasm 所需要的条件。

本篇只会介绍创建或引入一个包进入 Runtime 的 wasm 体系所需要注意的点,至于其需要这么做的原理暂不在本篇中介绍。

ps: 注意!本文的内容并非十分严格(特别对于第三方库引入部分),因为要做到真正正确得从 rust 的 wasm 编译及 Substrate Runtime 的条件编译入手,本文只属于入门,并非介绍其原理,因此对于初学者而言,若不明白原理,那么现阶段照本文执行即可,在有一定积累后,再深入了解原理并做出改进

Runtime 的 WASM

这里首先就放出结论:

Substrate 的 Runtime 的 WASM 并非标准 WASM,而是是一个有条件限制的 wasm,并非所有代码都可以编译成 Runtime 的 WASM

而这个“有条件”即是本篇文章需要指明的内容。

因此很多使用 Substrate 写 Runtime 部分的程序员,经常遇到的一个问题就是:

“为什么我把一个库引入 Runtime 后就编译不过了”

所以到这里,开发者应该明白 Substrate 的 Runtime WASM 是要受到条件制约的,因为对于链而言,并不是什么东西都可以放在 Runtime 环境中的,例如在之前的文章中提到,由于共识的限制,需要每个节点执行相同代码得到相同的结果,因此在 Runtime 中能够执行的应该是“没有副作用”逻辑,如:

  1. 系统调用(操作系统函数)
  2. 网络、磁盘访问(因此被限制了 io)
  3. 全局单例变量(由于在执行每个块的每个交易中 wasm 环境都是重新创建的,因此在 Substrate 中都是存到某个存储中,在 finalize 的时候删除)
  4. ... 等等其他

因此在 Substrate 的 Runtime 以上的依赖中,需要严格区分 stdno_std ,也就是对应着 native 与 Runtime wasm(后文简称 wasm)。而且这里的 no_std 是 Rust 能编译成 wasm 的库中的一个子集(当前剔除了一些类型,详情见: primitives/std/without_std.rs 中提供的类型)

Runtime 的依赖

sp-std sp-io | | | frame-support frame-system | / frame-assets frame-balances ... | / node-runtime

例如当前对于 node 节点项目而言,依赖的简化版本如上。这里列出这个依赖只是想说明如下:

对于 Runtime 而言,node-runtime 作为整个依赖树末端的叶,以其为根基往上的所有依赖都要满足上一节提到的“条件”,直到依赖的根

因此只要编写了会进入 node-runtime 依赖树的 crate,那么即便其可能被在非 Runtime 的部分中被引用到,那么其也必须满足这一些条件。否则如果这个库不满足这条件,那么只能以optional 的形式引入,使其只能在 native 下编译,不能在 wasm 下编译

能编译成 WASM 的条件

以下内容若不清楚原理,那么直接照抄即可。若希望自己探究原理,请记住在 Substrate Runtime 设计中,区分 WASM 和 Native 编译过程中引入什么库是通过“条件编译”控制的。今后写 Substrate 进阶或深入文章的时候笔者再来自己剖析其中原理。

1. Runtime 依赖树中的 crate 的 Cargo.toml 的编写

一个能在 Runtime 里面被引用的库,其 Cargo.toml 必须按照如下方式编写:

  1. dependencies 一栏中,一个库的引入要么指定了 default-features = false ,要不指定为 optional = true 。1. 若指定为 default-features = false ,那么进入这个被依赖的包,其 Cargo.tomlfeatures 这一栏中必须指定过 default = ["std"] 。(非严禁说法,若不知道为什么,照做,若知道,根据自己需求变更)
    1. 若指定为 optional = true ,那么这个被依赖包只可以被 native 编译,不可以被 wasm 编译,在当前包中引用它时,需要加上 #[cfg(feature = "std")] 的条件编译
  2. [features] 一栏中,一定要按照如下方式写
  3. default = ["std"] ,将当前的 default feature 指定为std ,一定不能少
  4. std = ["serde", "codec/std", ... ] ,在 dependencies 中出现过的库名,一定要出现在 std feature 对应的列表中,其中在 dependencies 中(以下两点皆为非严禁说法,若不知道为什么,照做,若知道,根据自己需求变更):
  5. default-features = false 出现的,一定要指定为 xxx/std
  6. optional = true 出现的,一定指代为当前包名

需要注意的点:

由于 cargo.toml 对编写出错没有显著提示,因此若出现不明原因错误,检查 cargo.toml 时一定要注意以下几点:

  1. default-featuresfeature 是带 s
  2. 若填写的 default-features=false ,那么在 std 指定的列表里必须要留意有没有也添加了 /std ,一定不能忘记在 std 中也出现对应的包,否则如果遗漏,编译到 wasm 时,可能会有奇怪的错误。
  3. [dev-dependencies] 是用于 test 的,因此直接正常引入即可

总体来说一定要保证 dependenciesfeatures 没有编写出错

2. Runtime 依赖树中的 crate 项目内容的编写

对于这个 crate 项目,需要注意的有以下几点:

  1. lib.rs 文件中的第一行必须有 #![cfg_attr(not(feature = "std"), no_std)]
  2. 引入标准库的类型,如 Vec , ResultBTreeMap 等等,必须通过 sp-std 这个库引入。
  3. 在 Runtime 的依赖库中,不能出现没有在 sp-std 导入的原本 std 拥有的标准库类型及宏,例如 String ,宏 println! ,若一定要出现,那么需要通过条件编译 #[cfg(feature = "std")] 包起来,那么被条件编译包起来的部分,显然在编译 wasm 的时候不会被编译进去,那么就必须得保证即使 wasm 没有编译这部分逻辑,那么 native 与 wasm 的执行结果也必须保持一致 (例如只有 println 在里面的话,只会产生的在 native 下打印的效果,不会影响执行的结果。但是若是有操作逻辑改变了变量状态在条件编译中,那么是一定要禁止的,否则就会导致节点运行过程中产生不同的结果)

举例:

我们来观察 Substrate 的 frame 提供的包 frame/assets ,我们修改 assets 下的内容,然后在 substrate 根目录下执行cargo build 进行编译

#![cfg_attr(not(feature = "std"), no_std)]  // 第一行即出现这个条件编译控制语句
// 接下来若编写
// use std::vec::Vec;  // 在wasm下编译不通过
use sp_std::vec::Vec; // 编译通过
// use std::string::String; // 在wasm下编译不通过

decl_module! {
    pub struct Module<T: Trait> for enum Call where origin: T::Origin {
        type Error = Error<T>;
        fn issue(origin, #[compact] total: T::Balance) {
            let origin = ensure_signed(origin)?;
            // println("test"); // wasm下编译不通过
            #[cfg(feature = "std")] {
                println("test"); // 能编译通过,但是在wasm执行中不会打印出来,只有在native执行中才会打印
            }
            //...
        }
    }
}

其他情况下例如需要出现能支持 serde 序列化的结构体,这里列举一个例子 substrate/frame/evm/src/lib.rs:L36

#[derive(Clone, Eq, PartialEq, Encode, Decode, Default)]
#[cfg_attr(feature = "std", derive(Debug, Serialize, Deserialize))]  // 请注意这里支持serde序列化的部分是在 `std` 条件编译下的
/// External input from the transaction.
pub struct Vicinity {
    /// Current transaction gas price.
    pub gas_price: U256,
    /// Origin of the transaction.
    pub origin: H160,
}

对于结构体,尤其需要留意 Debug 的 trait,这里在 #[derive()] 自动推导的地方,只能使用 RuntimeDebug 而不能使用 std 下的 Debug ,例如 balances 模块下的例子 frame/balances/src/lib.rs:L310

/// Struct to encode the vesting schedule of an individual account.
#[derive(Encode, Decode, Copy, Clone, PartialEq, Eq, RuntimeDebug)]
pub struct VestingSchedule<Balance, BlockNumber> {
    /// Locked amount at genesis.
    pub locked: Balance,
    /// Amount that gets unlocked every block after `starting_block`.
    pub per_block: Balance,
    /// Starting block for unlocking(vesting).
    pub starting_block: BlockNumber,
}

3. 引入一个第三方库兼容 Runtime wasm 的编译环境

对于以上自己编写 Runtime 引用到的 crate 时,若不明白原理,还可以直接照抄即可。但是要引入第三方库的时候就比较麻烦了,需要比较深入了解后可能才知道怎么引入编译。

由于上文提到的关于 wasm 的标准库的导入问题,因此可能会出现一个第三方包虽然在自己描述中介绍了支持 Rust wasm 编译,但是不一定支持 Runtime wasm 的编译。

那么这里先说明一个原则:

请分清引入这个库的作用,确保这份代码的执行必须在 Runtime 内部,若确定只能在 Runtime 内部,那么只能尝试将其改成能满足前面说的条件的情况,并且其一系列依赖也要满足条件,若不确定只在 Runtime 内部运行,那么只把定义抽离出来,将实现通过runtime_interface 导出到 native 执行

若这个库只需要在 native 下执行(如 serde),那么使用 Optional 引入,只在 std 下编译。

因此若一个第三方库一定要引入 Runtime 的编译依赖中,请再三思量是否是必须要引入的,因为这并非一件简单的事情。一方面引入新的库,编译会造成 wasm 文件庞大(因为会引入很多依赖一同编译),一方面将一个库改造成能在 Runtime wasm 下编译需要很多工作量。

因此例如:

  1. 若只是需要一些小的工具函数,那么直接拷贝进入 runtime 为妙。
  2. 若是需要一些密码库,那么请参考 Substrate 实现 ed25519,escda 等密码学函数的方法,抽离定义,将实现通过 runtime_interface 放在 native 下实现。这块内容在进阶部分笔者再进行讲解

总结

本文简要介绍了 Substrate 的 Runtime wasm 的实现要点,指明 Runtime 的 wasm 实际上是 rust wasm 的一个子集,其使用过程中受到 Runtime WASM 的限制。因此在编写自己的 crate 进入 Runtime 依赖树中时,请按照本文指明的方式进行编写。若采用第三方库引入时,请再三权衡,并根据情况做出判定。否则可能会在解决如何编译的过程中花费大量时间。

本文首发于知乎专栏《链块与分散的数据》,版权属于@金晓如需转载,需取得同意并标明出处,并涵盖版权信息!

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  • 发表于 2020-01-23 23:14
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金晓
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