既存C++資産をWebAssemblyへ移行する設計と実装

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多くのエンジニアリング組織において、C/C++で記述されたレガシーコードは「技術的負債」であると同時に、長年のドメイン知識が凝縮された「核心的資産」でもあります。高度な物理演算エンジン、画像処理アルゴリズム、あるいは金融モデルの計算ロジックをJavaScriptやTypeScriptで再実装するアプローチは、ロジックの不整合（Logic Mismatch）やパフォーマンス劣化のリスクを伴います。本稿では、WebAssembly（Wasm）を活用し、再実装コストを最小化しながら既存資産をWebプラットフォームへ展開するためのアーキテクチャ設計と、その過程で発生する技術的トレードオフについて論じます。

1. Wasm移行のアーキテクチャと実行モデル

WebAssemblyは単なる「ブラウザで動くバイナリ」ではありません。これはスタックベースの仮想マシンであり、Webブラウザのサンドボックス内で安全に実行されるように設計されています。移行を検討する際、まず理解すべきはJavaScript（ホスト）とWebAssembly（ゲスト）のメモリモデルの違いです。

JavaScriptはガベージコレクション（GC）によってメモリが管理されますが、C/C++からコンパイルされたWasmモジュールは「線形メモリ（Linear Memory）」と呼ばれる連続したメモリ空間を使用します。この線形メモリはJavaScriptからはArrayBufferとして見えますが、Wasm内部ではポインタ演算が可能なアドレス空間として機能します。

Architecture Note: WasmとJS間の関数呼び出しには「コンテキストスイッチ」に近いオーバーヘッドが発生します。したがって、微小な関数を頻繁に呼び出す設計（Chatty Interface）は避け、一度の呼び出しで重い処理を行う「Chunk Interface」を採用するのがパフォーマンス上の定石です。

ツールチェーンの選定：Emscripten

Rustであればwasm-packが主流ですが、C/C++資産の移行には現在もEmscriptenがデファクトスタンダードです。EmscriptenはLLVMをバックエンドに持ち、C/C++コードをWasmバイナリ（.wasm）と、それをロードするためのJavaScriptグルーコード（.js）にコンパイルします。ファイルシステムのエミュレーションやOpenGLからWebGLへの変換など、OS依存の機能をWeb標準にマッピングする強力なレイヤーを提供します。

2. バインディング戦略：Embindの活用

C++のクラスや構造体をJavaScriptから直接操作したい場合、手動で関数をエクスポートするのは非効率です。Emscriptenが提供するEmbindを使用することで、C++のクラスや関数をJavaScriptオブジェクトとして自然にマッピングできます。

以下は、画像処理エンジンを想定したC++クラスをWasmとして公開する例です。

// core_engine.cpp
#include <emscripten/bind.h>
#include <vector>
#include <algorithm>

using namespace emscripten;

class ImageProcessor {
public:
    ImageProcessor(int width, int height) : width_(width), height_(height) {
        buffer_.resize(width * height * 4); // RGBA
    }

    // JSのTypedArrayからデータを受け取る際のポインタ操作
    val getBufferView() {
        return val(typed_memory_view(buffer_.size(), buffer_.data()));
    }

    void applyFilter(float intensity) {
        // 実際の計算ロジック（SIMD最適化などがここに入る）
        for (auto& pixel : buffer_) {
            pixel = std::min(255, static_cast<int>(pixel * intensity));
        }
    }

private:
    int width_, height_;
    std::vector<uint8_t> buffer_;
};

// バインディング定義
EMSCRIPTEN_BINDINGS(my_module) {
    class_<ImageProcessor>("ImageProcessor")
        .constructor<int, int>()
        .function("applyFilter", &ImageProcessor::applyFilter)
        .function("getBufferView", &ImageProcessor::getBufferView);
}
Warning: EMSCRIPTEN_BINDINGSを使用すると、生成されるJSグルーコードのサイズが増加します。極限までサイズを削減したい場合は、C APIスタイルのextern "C"関数を定義し、ccallやcwrapを使用する低レベルアプローチを検討してください。

コンパイルオプションの最適化

本番環境（Production）向けのビルドでは、コードサイズと実行速度のバランスを調整する必要があります。以下は推奨されるビルドコマンドの例です。

emcc core_engine.cpp -o core_engine.js \
    -O3 \                                  # 最高レベルの最適化
    -s WASM=1 \                            # Wasmを出力
    -s MODULARIZE=1 \                      # モジュールパターンで出力
    -s EXPORT_NAME="createCoreEngine" \    # 初期化関数名
    -s ALLOW_MEMORY_GROWTH=1 \             # メモリの動的拡張を許可
    --bind                                 # Embindを有効化

3. メモリ管理とライフサイクル

JavaScript開発者がWasm統合時に最も躓きやすいのがメモリリークです。JavaScriptのGCは、Wasmヒープ内に確保されたC++オブジェクトの破棄を関知しません。C++側でnewされたオブジェクト、あるいはEmbindを通じてJS側で生成されたC++クラスのインスタンスは、明示的に削除（delete()）する必要があります。

以下のJavaScriptコードは、適切なライフサイクル管理の例です。

// main.js
import createCoreEngine from './core_engine.js';

async function init() {
    const Module = await createCoreEngine();
    
    // C++インスタンスの生成
    const processor = new Module.ImageProcessor(1024, 768);
    
    try {
        // 重い処理の実行
        processor.applyFilter(1.2);
        
        // メモリビューの取得とCanvasへの描画など
        const view = processor.getBufferView();
        console.log("Processed byte length:", view.length);
        
    } finally {
        // 【重要】明示的なメモリ解放。これを忘れるとリークする。
        processor.delete();
    }
}
Critical Anti-Pattern: ReactやVueなどのコンポーネント内でWasmインスタンスを生成する場合、コンポーネントのアンマウント時（useEffectのクリーンアップ関数など）に必ずdelete()を呼び出してください。SPAにおいて、ページ遷移を繰り返すたびにWasmメモリが枯渇し、ブラウザがクラッシュする事例が多発しています。

4. パフォーマンスとデータ転送の最適化

WasmとJS間で大量のデータをやり取りする場合（例：画像データ、音声波形、大規模配列）、データをコピー（Copy）するのか、参照（Reference/View）するのかは性能に直結します。

転送方式 メカニズム メリット デメリット
Copy 値を複製して渡す 安全性が高い（所有権が明確） 大容量データでは遅延が発生
Direct Memory Access Wasmヒープへのビューを作成 コピーコストゼロ（Zero-copy） メモリ拡張時にポインタが無効化されるリスクあり

特にALLOW_MEMORY_GROWTH=1を設定している場合、Wasmメモリがリサイズされると、以前に取得したTypedArrayのビュー（例：Uint8Array）はデタッチされ、無効になります。したがって、ビューはキャッシュせず、使用する直前に毎回取得するか、Wasm側のメモリアドレスが変更されたことを検知する仕組みを実装する必要があります。

また、最新のブラウザ環境であれば、SIMD (Single Instruction, Multiple Data) 命令を有効にすることで、ベクトル演算のパフォーマンスを大幅に向上させることが可能です。コンパイル時に-msimd128フラグを追加することで、WasmのSIMD命令セットが利用可能になります。

結論：ハイブリッドアーキテクチャへの道

既存のC/C++資産をWebAssemblyへ移行することは、単なるコードの移植以上の意味を持ちます。それは、UI/UXを柔軟なJavaScript/TypeScriptエコシステムに委ねつつ、コアロジックを堅牢かつ高速なC++で維持するという「ハイブリッドアーキテクチャ」の構築です。

初期設定の複雑さやデバッグの難易度（Source Mapsの設定が必要）といったトレードオフは存在しますが、再実装によるロジック分裂を防ぎ、ネイティブ級のパフォーマンスをWebで実現できるメリットは、多くのプロジェクトにおいてコストを正当化します。まずは計算負荷の高い小さなモジュールから切り出し、段階的にWasm化を進めるアプローチを推奨します。

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