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用 WebAssembly 在浏览器中运行 Python

长期以来,Python社区一直在讨论如何使Python成为网页浏览器中流行的编程语言。然而网络浏览器实际上只支持一种编程语言:JavaScript。随着网络技术的发展,我们已经把越来越多的程序应用在网络上,如游戏、数据科学可视化以及音频和视频编辑软件。这意味着我们已经把繁重的计算带到了网络上——这并不是JavaScript的设计初衷。所有这些挑战提出了对新编程语言的需求,这种语言可以提供快速、可移植、紧凑和安全的代码执行。因此,主要的浏览器供应商致力于实现这个想法,并在2017年向世界推出了WebA

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    用 WebAssembly 在浏览器中运行 Python

    长期以来,Python 社区一直在讨论如何使 Python 成为网页浏览器中流行的编程语言。然而网络浏览器实际上只支持一种编程语言:JavaScript。随着网络技术的发展,我们已经把越来越多的程序应用在网络上,如游戏、数据科学可视化以及音频和视频编辑软件。这意味着我们已经把繁重的计算带到了网络上——这并不是JavaScript的设计初衷。所有这些挑战提出了对新编程语言的需求,这种语言可以提供快速、可移植、紧凑和安全的代码执行。因此,主要的浏览器供应商致力于实现这个想法,并在2017年向世界推出了WebAssembly。

    在本教程中,我们将看一下WebAssembly如何帮助你在浏览器中运行Python代码。

    要明确的是,JavaScript本身就是一种强大的编程语言。它只是不适合某些操作。关于这一点,请看JavaScript的创始人Brendan Eich的《从ASM.JS到WebAssembly》一文。

    我们正在建立什么

    假设你想教一门Python课程。为了使你的课程更加有趣和好玩,在每一节课之后,你想为你的学生安排一个练习,这样他们就可以练习他们所学到的知识。

    这里的问题是,学生需要通过安装特定版本的Python来准备一个开发环境,创建并激活一个虚拟环境,并安装所有必要的包。这可能会耗费大量的时间和精力。由于每台机器都是不同的,所以也很难对此提供确切的指导。

    虽然你可以创建一个后端,在Docker容器或AWS Lambda函数中运行提交的代码,但你选择保持简单堆栈,在课程内容中添加一个Python编辑器,可以在客户端、在网络浏览器中运行Python代码,并向用户展示结果。这正是你在本教程中要构建的东西。

    用 WebAssembly 在浏览器中运行 Python

    WebAssembly

    根据Mozilla开发者网络(MDN)文档的定义,WebAssembly(WASM)的定义如下:

    WebAssembly是一种运行在现代网络浏览器中的新型代码,并且提供新的性能特性和效果。它设计的目的不是为了手写代码而是为诸如C、C++和Rust等低级源语言提供一个高效的编译目标。

    因此,WASM让我们在浏览器中运行用不同语言(不仅仅是JavaScript)编写的代码,有以下好处:

    • 它是快速、高效和可移植的。
    • 它是安全的,因为代码是在一个安全的沙盒执行环境中运行的。
    • 它可以在客户端运行。

    因此,在我们上面的例子中,如果用户在我们的服务器上运行代码,我们不需要担心,如果成千上万的学生尝试练习代码,我们也不需要担心,因为代码的执行发生在客户端,在Web浏览器上。

    WebAssembly的设计并不是为了杀死JavaScript。它是对JavaScript的补充。当JavaScript不是合适的工具时,它可以被使用,如游戏、图像识别和图像/视频编辑等。

    请看 WebAssembly.org的使用案例,了解更多你可能想利用WebAssembly的情况。

    Pyodide

    本教程使用Pyodide库来运行Python代码,它将CPython解释器编译为WebAssembly,并在浏览器的JavaScript环境中运行。它带有一些预装的Python软件包。你也可以使用Micropip来使用更多的软件包。

    Hello World

    用下面的代码创建一个新的HTML文件。

    
    
    
    
    

    在你的浏览器中打开该文件。然后,在你的浏览器的开发者工具控制台中,你应该做如下事情:

    Loading distutils
    Loading distutils from https://cdn.jsdelivr.net/pyodide/v0.20.0/full/distutils.js
    Loaded distutils
    Python initialization complete
    Hello, world from the browser!
    

    你可以看到,最后一行是Python代码在浏览器中执行的结果。

    让我们快速看一下上面的代码。

    • 首先,你可以使用CDN或直接从GitHub发布的版本下载并安装Pyodide。
    • loadPyodide 加载并初始化 Pyodide wasm 模块。
    • pyodide.runPython将Python代码作为一个字符串,并返回代码的结果。

    Pyodide的优势

    在前面的例子中,你看到了安装Pyodide并开始使用它是多么容易。你只需要从CDN导入 pyodide.js并通过 loadPyodide初始化它。之后,你可以使用 pyodide.runPython("你的Python代码")在浏览器中运行你的 Python 代码。

    当你第一次下载Pyodide时,下载量很大,因为你要下载完整的CPython解释器,但你的浏览器会缓存它,你不需要再次下载它。

    在Pyodide上还有一个庞大而活跃的社区。其官方网址如下:

    ​​https://pyodide.org/en/stable/​​

    可以看一下其中的Pyodide 路线图、GitHub上的公开问题、Gitter社区。

    Pyodide的局限性

    第一次加载Pyodide,需要四到五秒(取决于你的连接速度),因为你必须下载约10MB左右的文件。另外,Pyodide代码的运行速度比本地Python慢3到5倍。

    其他选择

    一般来说,如果你想在浏览器中运行Python,你有两种方法可用。

    1、使用转译器将Python转换为JavaScript。Brython、Transcrypt 和 Skulpt 都使用这种方法。

    2、转换Python运行环境以在浏览器中使用。Pyodide 和 PyPy.js 使用这种方法。

    方案一和方案二的一个主要区别是,方案一中提到的库不支持Python包。也就是说,它们的下载量比方案二中的库要小得多,因此,它们的速度也更快。

    在这个教程中,我们选择了Pyodide,因为它的语法更简单,而且支持Python包。如果你对其他选项感兴趣,请随时查看它们的文档。

    Python代码编辑器

    在本节中,我们将创建一个简单的Python编辑器,可以在浏览器中运行代码。

    1、Pyodide

    2、CodeMirror

    3、Flask

    创建一个新的项目。

    $ mkdir python_editor_wasm
    $ cd python_editor_wasm
    

    创建并激活一个虚拟环境。

    $ python3.10 -m venv env
    $ source env/bin/activate
    (env)$
    

    安装Flask:

    (env)$ pip install Flask
    

    在项目的根部创建一个名为app.py的文件并添加以下代码。

    from flask import Flask, render_template
    app = Flask(__name__)
    @app.route('/')
    def index():
    return render_template('index.html')
    if __name__ == '__main__':
    app.run(debug=True)
    

    在我们项目的根部创建一个 "templates "文件夹,并在其下添加index.html文件。

    templates/index.html:
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    

    Run Python in your browser

    在 index.html文件的头部,我们导入了用于格式化的Tailwind CSS,Pyodide.js 0.20.0,以及CodeMirror及其依赖包。

    UI有三个重要的组成部分:

    1、Editor。用户可以在这里写Python代码。它是一个文本区域的HTML元素,其ID为代码。当我们初始化codemirror时,我们让它知道我们想用这个元素作为一个代码编辑器。

    2、Output。显示代码输出的地方。它是一个id为output的textarea元素。当Pyodide执行Python代码时,它将把结果输出到这个元素。我们也在这个元素中显示一个错误信息。

    3、Run button。当用户点击这个按钮时,我们抓取编辑器元素的值并将其作为一个字符串传递给 pyodide.runPython。当 pyodide.runPython返回结果时,我们在输出元素中显示它。

    现在在项目的根部,创建 static/js文件夹。然后,在 js文件夹下,创建一个名为 main.js的新文件。

    static/js/main.js:

    我们完成了以下步骤:

    // find the output element
    const output = document.getElementById("output");
    // initialize codemirror and pass configuration to support Python and the dracula theme
    const editor = CodeMirror.fromTextArea(
    document.getElementById("code"), {
    mode: {
    name: "python",
    version: 3,
    singleLineStringErrors: false,
    },
    theme: "dracula",
    lineNumbers: true,
    indentUnit: 4,
    matchBrackets: true,
    }
    );
    // set the initial value of the editor
    editor.setValue("print('Hello world')");
    output.value = "Initializing...n";
    // add pyodide returned value to the output
    function addToOutput(stdout) {
    output.value += ">>> " + "n" + stdout + "n";
    }
    // clean the output section
    function clearHistory() {
    output.value = "";
    }
    // init pyodide and show sys.version when it's loaded successfully
    async function main() {
    let pyodide = await loadPyodide({
    indexURL: "https://cdn.jsdelivr.net/pyodide/v0.20.0/full/",
    });
    output.value = pyodide.runPython(`
    import sys
    sys.version
    `);
    output.value += "n" + "Python Ready !" + "n";
    return pyodide;
    }
    // run the main function
    let pyodideReadyPromise = main();
    // pass the editor value to the pyodide.runPython function and show the result in the output section
    async function evaluatePython() {
    let pyodide = await pyodideReadyPromise;
    try {
    pyodide.runPython(`
    import io
    sys.stdout = io.StringIO()
    `);
    let result = pyodide.runPython(editor.getValue());
    let stdout = pyodide.runPython("sys.stdout.getvalue()");
    addToOutput(stdout);
    } catch (err) {
    addToOutput(err);
    }
    }
    

    1、初始化CodeMirror,支持Python和Dracula主题。

    2、初始化Pyodide。

    3、添加了一个名为 evaluatePython的函数,当用户点击运行按钮时执行。它将代码元素的值传递给 pyodide.runPython,并通过 addToOutput 在输出元素中显示结果。

    4、增加了一个叫 clearHistory的函数,当用户点击 ClearHistory按钮时,它将清除输出元素。

    要在本地运行Flask开发服务器,请运行:

    (env)$ flask run
    

    现在服务器应该在5000端口运行。在你的浏览器中导航到 http://127.0.0.1:5000,测试一下代码编辑器。

    总结

    在本教程中,主要讲解了如何使用WebAssembly在浏览器中运行Python代码,但一般来说,WebAssembly涵盖了更广泛的使用情况。

    我们的部署平台比以往任何时候都更加多样化。WebAssembly可以影响客户端Web开发、服务器端开发、游戏、教育、云计算、移动平台、loT、serverless等方面。

    本站声明:本文内容由网友自发贡献,版权归原作者所有,本站不承担相应法律责任。如您发现有涉嫌抄袭侵权的内容,请联系bd@zhengruan.com
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