既存のC/C++ライブラリをWebAssemblyにコンパイルしてブラウザでも活用する方法

Posted at 2025-01-28

はじめに

最近、ブラウザ上でネイティブ級の高速処理を実現できる技術としてWebAssembly（Wasm）が注目を集めています。私は、電子回路シミュレータの内部構造に興味があり、そこで使える数値線形代数ライブラリ（例：KLU）や、常微分方程式ソルバを含むSUNDIALSのようなC/C++で書かれた数値計算ライブラリをWebAssemblyでも動かしてみたいと考えています。

本記事では、こうした既存のC/C++ライブラリをWasmにコンパイルして利用する際のメリットや注意点を解説します。数値計算だけでなく、画像処理、機械学習、暗号など広くC/C++ライブラリを再利用したい方の参考になれば幸いです。

1. なぜC/C++ライブラリはWasmにコンパイルしやすい、と言われるのか？

1.1 LLVMベースのツールチェーンが充実

WebAssemblyはLLVMをバックエンドとしており、EmscriptenやClangのWebAssemblyターゲットが整備されています。
Emscripten: 代表的なツールチェーン。emccコマンドでC/C++→Wasmコンパイルが可能。
Clang/LLVM: -target wasm32-unknown-emscriptenなどで直接Wasmバイナリを生成できるオプションもあります。

1.2 C/C++の移植性の高さ

C/C++はもともとWindows、Linux、macOS、組込みなどマルチプラットフォーム対応の歴史があり、OS非依存コードを中心とするライブラリが多いです。
POSIX関数や標準Cライブラリを使う程度なら、大きな修正なしでビルドが通るケースが多い。
Emscriptenにはファイルシステムエミュレーションやスレッドサポート等もあり、ある程度のOS機能を擬似的に再現できます。

1.3 豊富な既存ライブラリ資産

C/C++には画像処理（libpng, libjpeg）、音声/動画、暗号、機械学習などの成熟ライブラリが多数存在します。
これらをWebAssemblyにコンパイルすることで、一からWeb用に書き直す手間を大幅に省き、JavaScript（やTypeScript）から呼び出して高性能な処理を利用できます。

1.4 JavaScriptとのブリッジ（FFI）が容易

Emscriptenのcwrapやccall、EM_JSマクロなどで、C/C++関数とJavaScriptを簡単に相互呼び出しできます。
Web API（WebGL、Audioなど）との連携用のラッパーコードもある程度整備されているため、フロントエンドでリッチな機能を実装しやすいです。

2. できない／難しいケースはどんなとき？

2.1 OS依存やハードウェアアクセスが強い場合

デバイスドライバやカーネル機能を直接呼び出すコードは、ブラウザ上では実行不可能。
OpenGLやDirectXのようなネイティブAPI依存部はWebGLやWebGPU等へ置き換えが必要な場合があります。

2.2 プラットフォーム固有APIの多用

WindowsのWin32 API、Linux専用のシステムコール、macOSのCocoaフレームワークなどに強く依存するライブラリは移植困難。
Emscriptenには対応APIがない場合が多いので、stub（ダミー）を作るか実装を切り離す必要があります。

2.3 並列化や高度な並行処理

WebAssemblyのスレッド対応は近年進化中ですが、MPIのようなプロセス間通信モデルには未対応。
OpenMPを多用するコードはEmscriptenオプションとブラウザのSharedArrayBufferサポート次第で制限があります。

2.4 大規模ライブラリの依存関係

BLAS/LAPACKなど下層の数値ライブラリすべてをWasmでビルドし直す必要がある場合も。
GUIツールキットや外部プロセス呼び出しなど、Web上で再現困難な部分は機能を削減するしかありません。

2.5 セキュリティやライセンス上の問題

ソースコードやバイナリをWeb公開できないライセンス形態だと移植自体が難しい。
Web配布すると、逆アセンブルや改変リスクがある点にも留意が必要です。

3. 実例：KLUやSUNDIALSなどの数値計算ライブラリ(自分が使いたい)

3.1 KLU（Sparse LU分解ライブラリ）

SuiteSparseに含まれるスパースLU分解ライブラリ。
主にC言語で書かれており、OS固有のコードが少なく、数値アルゴリズム主体。
スレッドやBLAS/LAPACK依存をオフにするかEmscripten用にビルドすれば、比較的スムーズに移植できる可能性大。

3.2 SUNDIALS（ODE/DAEソルバ）

CVODEやIDA、KINSOLなど多彩な数値ソルバ群。
シリアル版のみであればブラウザでも十分動作可能。
並列化（MPIやOpenMP）を多用すると難易度が上がるが、オフにすれば移植しやすい。

結論：C/C++主体の数学ライブラリなので、OS依存部分を外せばWebAssemblyに移植できる確率は高い。

4. 実際にコンパイルする流れ（Emscriptenを例に）

以下の図は、C/C++ソースコードをEmscriptenでビルドして、ブラウザ上でWasmモジュールを呼び出すまでのフローを表しています。

Emscriptenのインストール

git clone https://github.com/emscripten-core/emsdk.git
cd emsdk
./emsdk install latest
./emsdk activate latest
source ./emsdk_env.sh

ライブラリのソースを取得し、configure/cmake
- emconfigure ./configure や emcmake cmake .. などEmscripten用のwrapperで環境設定
コンパイル・リンク
- emmake makeでビルド → .wasm + .js(ブリッジ) が生成
- または emcc mylib.c -o mylib.js -s MODULARIZE=1 ... 等の直接指定

JavaScript側でロード・呼び出し

const Module = await MyLib();   // EmscriptenのMODULARIZE生成
const result = Module._my_function(123, 456);
console.log(result);

Emscriptenのcwrapやccallを使えばよりシンプルに呼び出せます

5. 結論とまとめ

調べた限り、C/C++ライブラリをWebAssemblyにコンパイルできる確率は、OS依存の少ない“数値計算系”や“アルゴリズム系”ならおおむね7～8割以上で成功するようです。
GUIや並列化、特殊なハードウェアアクセスが絡むほど移植は困難になります。
しかしながら、電子回路シミュレータ内部で使われるKLUやSUNDIALSなどは、比較的OS依存が少ないため、十分移植して動かせる可能性が高い、と思いました。
一度Wasm化できれば、ブラウザ上のUIやサーバーレス環境で強力なC/C++ライブラリを再利用できるため、挑戦する価値は大いにあると思います。

FAQ

Q1. EmscriptenでビルドしたWasmはネイティブコードと比べてどのくらい遅くなりますか？

A1. 一般的にはネイティブコードより多少のオーバーヘッドがありますが、JIT最適化やAOTを活用することで「おおむねネイティブの7〜9割程度」の性能が出ると言われています。起動時間やメモリ効率では有利な場合もあります。

Q2. 逆アセンブルされてしまうリスクはどうすればいいですか？

A2. WebAssemblyはバイナリ形式ですが、読み出しや逆アセンブルを完全に防ぐことはできません。ソースコードを保護したい場合、難読化やDRMのような対策を検討する必要があります。

Q3. ブラウザ以外でWasmを動かす場合でもC/C++ライブラリ移植はしやすいですか？

A3. サーバーサイドやサーバーレス環境（WASI対応ランタイムなど）でも、同様にEmscriptenやClangでコンパイルできます。ブラウザ特有のAPIは不要な分、さらにOS依存コードを排除しやすいかもしれません。

Q4. MPIやOpenMPをどうしても使いたい場合、まったく無理なのでしょうか？

A4. WebAssemblyのスレッドサポートはあり、OpenMPの一部をサポートする試みがあります。ただしブラウザで有効にするにはSharedArrayBuffer等の仕組みが必要で、セキュリティ要件が厳しいです。MPIはさらに困難ですが、将来のWASI拡張に期待があるかもしれません。

Q5. Spice本体すらWasm化することはできますか？

A5. SpiceはUNIX系APIに依存する部分も多いですが、理論上はEmscriptenで対応可能なところは多いです。GUIやマルチスレッド部分、外部プログラム呼び出し等を調整すれば、一部機能を削減しつつ移植する事例は考えられます。

Q6. 大規模な数値計算（例えば100万以上の未知数を持つ方程式）をブラウザで実行するとパフォーマンスが不安です。

A6. 計算時間は実装やアルゴリズムに左右されますが、Wasmによるネイティブ級の性能向上があっても、ブラウザでの実行にはメモリ上限やタブのCPU時間制限などがある場合があります。大規模計算はサーバーサイドWasmやエッジランタイムを検討するのも手です。

まとめ

WebAssemblyは、ブラウザからクラウド、エッジ、そしてIoTデバイスまでを繋ぐ汎用実行プラットフォームとして進化を続けています。特に、C/C++ライブラリのWasm化は以下のような利点があります。

SIMDやGC、例外処理などで性能と柔軟性が向上（最新のWasm仕様ベース）
WASI標準化の進展により、ブラウザ外でも同様のアプローチが可能
既存の大規模ライブラリ資産を一から書き直す必要がなく、エコシステムを活用できる
Spiceシミュレータの内部構造や数値ライブラリ（KLU、SUNDIALSなど）も移植しやすい部類

もちろん、GUI機能やOS固有API、並列化、ライセンスなどを考慮する必要がありますが、総合的に見てC/C++ライブラリをWebAssemblyへ移植する成功率は高く、挑戦する価値は大いにあると言えます。自分もこれから挑戦してみようと思います。

参考リンク

以上

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