Waft是一个专注于AIoT领域，面向原子化服务的应用开发框架，核心解决的是AIoT领域下用户和服务连接低效的问题。具备高性能、动态化、原子化、跨平台、支持多语言开发等特性：
背景年年底，亚马逊推出了一个全新的智能硬件产品——"Echo"智能音箱，该设备可以随时响应用户的语音指令，由内置的虚拟助手Alexa为用户提供信息、音乐、设定闹钟、控制智能家居设备等服务。一时间，全球互联网巨头纷纷入局，布局家庭AIoT新赛道，抢占家庭场景的流量新入口。随着新玩家的入场，智能音箱的能力也在飞速提升，不仅能听歌与智能家居控制，还可以设置闹钟与日程，百科问答与聊天等，简单高效的语音交互让用户真切的感受到人工智能技术的到来。
年春季，天猫精灵发布了第一款带屏的智能音箱。相比传统音箱，不仅增加了一块更利于用户交互的屏幕，还支持了各种传感器设备，成为了一款真正的智能家庭助手设备。作为一款普惠AI的产品，为了让更多的用户能够体验到人工智能的便利性，智能音箱的硬件配置相对比较低，整体硬件配置与当前市面上的手机相差甚远，对应用软件的运行性能提出了巨大的挑战。除了这些自研产品外，天猫精灵还支持了很多生态硬件产品，如：手表、电视、中控面板等。这些AIoT设备具有以下特点：
硬件配置跨度大：内存从M到2G，存储从M到32G
屏幕尺寸多样，从1.3寸、4寸、7寸、8寸、10寸到电视大屏
操作系统多样：Android、Linux、RTOS等
我们一直在思考和探索下面两个问题的解决方案：
什么样的应用形态，更适合AIoT设备？
什么样的应用框架和开发方式，更适合AIoT领域的开发者？
我们陆续尝试了多种应用开发方式和框架：
年6月，开始引入AndoridAPP的生态。陆续接入了优酷、芒果TV、BliBli、腾讯视频、爱奇艺、快手、抖音等30多个APP。但由于天猫精灵设备算力与存储的限制，无法安装太多应用，一个APP要几十M左右，导致软件生态受到限制。
年12月，我们尝试引入小程序技术来解决存储空间不足的问题。并于19年1月上线第一个小程序猫精版“蚂蚁森林”，之后陆续引入了：宝宝巴士、斗鱼直播、贝瓦儿歌、汽车之家等多个小程序。但问题也很明显：
1）在1G内存设备上，小程序的性能较差体验不太理想，冷启动需要十多秒，热启动需6秒左右。
2）面向手机开发的小程序几乎都是竖屏版本，在天猫精灵的横屏设备上体验并不好，需要开发者做UI适配或者容器端做分屏显示处理。
年7月，开始在天猫精灵设备上尝试云应用，想彻底突破终端的性能问题。云应用可能是应用生态的终极解决方案之一。一切应用皆可上云，当前所有的应用生态都可囊括，且终端无性能压力。但当前成本太高，还无法大规模铺开。需要等待5G和云应用的大规模爆发，来降低服务器和带宽成本以及网络延迟。
经过近三年在天猫精灵应用开放上的尝试，逐步形成了我们对AIoT行业的一些理解：
终端形态：硬件配置、操作系统和屏幕呈多样化发展、碎片化分布。
场景需求：触达路径短、多模态交互、多源服务灵活聚合。
业务核心：快速响应算法，提供多种UI形态的智能化服务。
这对我们的技术框架提出了非常高的要求：
能充分发挥硬件性能，在低配置硬件中实现极速启动。
支持多模态交互，通过服务原子化精准快速地满足用户意图。
可跨系统跨平台实现多端自适应。
面向AIoT行业开发者友好的开发工具链。
重云（边）轻端，降低终端侧的性能压力。
经过近两年的尝试，发现在天猫精灵AIoT上，APK和小程序方案并不能很好的满足上述诉求，无法兼顾用户体验和应用生态，且云应用尚无法大规模铺开的情况下，我们从.08开始尝试探索一种新的解决方案——Waft。
Waft是什么Waft是一个面向AIoT原子化服务的应用开发框架，是一个适合AIoT应用开发的解决方案。
取名叫Waft，其实有两重含义在里面：
Waft是WebAssemblyFrameworkforThings的缩写，是一个面向AIoT的WebAssembly框架。
Waft单词本身的含义是“（在空气中）飘荡”，和我们的目标比较匹配：轻量的高性能的应用框架。
Waft的发展历程：
设计理念
Waft的设计理念：原子化服务的快速直达和灵活的场景化组合。
化整为零：超级应用的核心内容短平快直达移动互联网时代，一个个App将互联网割裂成信息孤岛，使得用户获取信息和服务的成本越来越高，操作路径越来越长。在天猫精灵智能终端上，我们希望能通过原子化服务的方式来解决这个问题。原子化服务指的是应用中能满足某个特定用户意图的完整功能，比如快递提醒，了解疫情信息，收取蚂蚁森林能量。将核心功能从应用中抽取出来后，通过卡片、浮窗这类轻量交互方式，缩短触达用户的路径，降低用户使用的成本。
化零为整：多来源的服务组合成场景化应用当深藏在应用中的服务被原子化后，就具备了被重新组合成场景化应用的可能性。以天猫精灵中的语音头条为例，当用户起床后，可以跟精灵说“早上好”，得到天气、交通限行、新闻、音乐等信息服务，早上好就是由天气、出行、新闻、音乐等一系列应用中的原子化服务重组后的场景应用。类似的，还有中午好、晚上好等聚合了多种原子化服务的场景。更进一步的组合，是打通用户上下文信息的组合，一个服务的输出可以作为另一个服务的输入，比如用户预定了杭州到北京的机票这一信息语境，可以被传输到预定酒店的服务中，无需用户再次输入重复的信息，用户购买电影票的信息，可以作为美食餐厅推荐服务的输入，为用户提供更贴心的组合服务。
设计目标
从开发者的角度看，可以把waft容器简单类比成一个轻量级的浏览器，专注于AIoT领域，尽可能抛弃历史包袱。
和传统浏览器的差异主要在于：
1）内核的差异：
2）开发方式的差异：
Waft的设计目标如下：高性能：支持AOT运行模式，能接近原生应用体验，可运行在非常低配的IoT设备上。
原子化：面向原子化的服务。化整为零，超级应用的核心内容短平快直达；化零为整，多源化的服务重组成场景化应用。
动态化：应用和服务都可以动态下发与更新，具备与Web同级别的动态化能力。
跨平台：支持Android,Linux,RTOS,MacOS等多平台，并能实现UI自适应，能力自降级。
多语言：面向广大的开发者群体(前端、终端、传统IoT端、后端等)，支持AssemblyScript,Kotlin,Swift,C/C++,Rust,Golang等多种开发语言。
端云协同：应用逻辑和任务堆栈托管到云端执行，终端只做最终渲染和用户交互的反馈。
技术方案Waft是基于WebAssembly构建起来的一套应用开发框架：
WebAssembly是一种体积小且加载快的二进制格式，其目标就是充分发挥硬件能力以达到原生执行效率。是一种运行在现代网络浏览器（并不局限于）中的新型代码格式，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，而是为将诸如AssemblyScript、Kotlin、Swift、C、C++、Rust、Golang等高级语言编译为一种执行效率更高的中间字节码（可简单类比为Web的汇编语言）。我们选择基于WebAssembly来搭建Waft的整套技术体系，主要原因如下：
WebAssembly是W3C的标准，技术理念先进，开源社区活跃。
支持AOT模式，具有和原生几乎相当的性能表现。
可脱离浏览器运行，可运行在IoT设备上。
支持多语言开发，社区内已有多种语言可编译为WebAssembly格式。
具有很好的跨平台和动态化特性。
Waft终端架构
终端容器的核心任务是，页面的快速响应和丰富的表现形式，给用户一个非常好的交互体验。
Waft容器的三个核心模块为Framework、Engine和NativeServices(基础服务)：
Framework:作为终端的大脑，职责包括：端云协同、包管理、场景管理、资源管理等等。
Engine:页面渲染与逻辑执行的核心模块，包括：Runtime虚拟机、DOMParser以及页面渲染与绘制。
NativeServices(基础服务)：提供多种高性能的原子化服务，减轻业务开发的难度与工作量。
Waft渲染管线
说明如下：
AST：抽象语法树，通过编译器将XML和CSSStyles编译为一个json格式的抽象语法树。
VDOMTree：虚拟DOM树，根据自定义的JSON数据格式生成，UI的虚拟表现形式，并可以通过设置不同的数据修改VDOM结构和数据，最终驱动真实组件进行绘制。
LayoutTree：由Yoga创建的，包含宽高、Padding等位置信息的数据结构，用于布局排版。
RenderTree：CSSOM和DOM合并而成，包含节点的样式、布局等信息，用于渲染。
Waft前端框架和工具
在基于WebAssembly运行的基础上，为了更好的支持前端开发者生态，我们选用了AssemblyScript作为前端框架的逻辑开发语言，它是TypeScript的语法变种。在前端框架的设计上，主要包含了3个层面：
框架核心层：封装了渲染引擎、容器的API，具备生命周期、状态管理、多页路由等前端框架的核心能力。
工程构建层：集成了框架核心的构建能力。通过解析工程目录和DSL，并进行编译成Wasm/AOT包的能力。并增加了内置函数，语法检查等实用功能。
应用能力层：建设框架的UI组件库，WebAPI/CSS标准，响应式自适应能力，以及语音/触屏多模态交互能力，并支持卡片开发标准。
在开发者工具上，目前支持了4个部分：
IDE插件：VSCode插件集成了工程初始化，开发调试，编码辅助，应用管理等综合能力。
CLI工具：CLI支持无界面形式的工程流程化管理，包括创建、调试、打包、单测等阶段。
ChromeDevTools：基于ChromeDevToolsProtocol协议的开发调试工具，可支持本地模拟器、无线方式连接真机的方式进行调试，进行元素检查、日志查看等功能。
在线工具：支持低代码平台进行快速搭建产出应用，CloudIDE云端编辑和云真机等能力。
技术特点当前市面上的跨端方案也比较多，Waft与其他方案相比，优势在于同时兼顾了动态化、高性能和跨端一致性；劣势在于因只支持CSS的子集，页面编写灵活性上不如H5/小程序：
除了这些特点外，Waft还具备一些其他方案少有的特性。
端云协同
Waft有一个核心目标是云化：页面跳转逻辑和任务堆栈交由云端管理，终端只做页面渲染和交互的反馈。
借助于天猫精灵云端DM(DialogManager,对话管理)服务的能力，Waft应用的跳转逻辑和业务堆栈管理可交由云端管控。终端页面在点击某个跳转按钮时，只需给DM传递相应的意图参数，DM负责分发意图，调用对应的技能服务(应用)，再由技能服务向终端推送新的页面，这里的意图和Android的Intent的作用非常相似。
借助于猫精的对话流编排平台，可将多个零散的原子化服务(页面)，组合为一个复合场景，在平台上通过可视化编排的方式，构建多个页面间的跳转逻辑。
如下图“早上好场景”的对话流：
端云协同交互流程
动态化的AOT
得益于WebAssembly的技术优势，Waft可实现AOT级别的动态化能力，整体逻辑上跟动态加载运行一个so比较类似，且因为WASM运行在Waft容器的沙箱环境中，相比动态化so更安全可控。
多语言开发
因WebAssembly(简称Wasm)只是一种二进制格式，理论上只要某种语言的工具链支持将源码编译为Wasm格式，就可以在Waft容器中运行。
为了降低代码实现难度、提高可扩展性，现代编译器一般都会按模块化的方式设计和实现。典型的做法是把编译器分成前端（FrontEnd）、中端（MiddleEnd）、后端（BackEnd）。前端主要负责预处理、词法分析、语法分析，生成便于后续处理的中间表示（IntermediateRepresentation,IR）。中端对IR进行分析和各种优化，例如常量折叠、死代码消除、函数内联。后端生成目标代码，把IR转换成平台相关的汇编代码，最终由汇编器编译为机器码。
云端渲染
可将原来在终端上完成的UI数据解析、绑定、测量等渲染前的耗时操作由终端转移到云端，云端仅下发绘制指令，由自研渲染引擎直接完成渲染。部分场景下可将UI渲染转移到云端，直接在云端生成UI图片后推送到终端进行显示。大致思路如下：
上图的补充说明：1.在云和端上部署同一套WaftContanier运行环境。
2.将整个渲染拆分为5个步骤：
数据绑定(DataBinding):将AST和Data进行数据绑定，形成一个VDomTree(JSON格式)
大小测量与位置计算(MeasureLayout)：对VDomTree进行CSS解析和布局处理，计算出每个元素的x、y坐标和width、height等信息。产出一个包含详细布局信息的LayoutTree。
创建UI组件：将LayoutTree中的每个节点，转换为调用实际的创建UI组件的代码(如：createButton,createTextView,createImageView等等)。
绘制(Paint)：使用Skia图形库，在显示的FrameBuffer中绘制。
展示(Display)：在屏幕中展示FrameBuffer中的内容，展示出最终的页面。
3.渲染的5个步骤，可以按场景决定云端和终端分别执行哪几步，比如：将数据绑定、大小测量与位置计算、创建UI组件指令这些操作放在云端的WaftContainer中执行，将Paint、Display两步交给端上执行。
注：云端渲染能力，还在预研阶段，待线上业务落地后，我们会再详细展开介绍这部分的实践经验
应用开发方式在应用开发上，我们遵循“前端友好，研发提效”的理念，在框架设计和开发工具建设上提供更完整的解决方案，降低前端和AIoT开发者的开发门槛。所以Waft开发的上手也主要分为两个部分，一个是前端框架的学习使用，包括开发语言、组件库、API等；另一个是开发工具的上手使用，包括源码CLI工具的流程命令以及Devtools的使用；另外，开发者也可以使用我们的低代码搭建平台来快速生产卡片应用。
开发语言
前端UI框架支持两种DSL，支持类Web的单文件写法，以及阿里系的小程序写法。目前支持的逻辑脚本语言为AssemblyScript，AS是专门为WebAssembly设计的一种新语言，采用了类似TypeScript的变种语法，可以让熟悉TS的前端开发者更快地上手。此外，我们也正在支持Kotlin/Swift/Rust/C/C++等其他开发语言。为了让大家对Waft有一个直观了解，在此展示下简单的页面开发代码和运行效果：
研发流程
Waft-CLI脚手架是辅助开发者源码开发的提效工具，封装了多阶段的不同功能：
初始化阶段：通过waftinit快速初始化应用，内置了1个通用开发模板以及多种业务模板。
开发调试阶段：通过waftdev开启调试模式，内置了连接多平台的Devtools工具，支持Web浏览器、Mac模拟器和真机的调试预览。
质量检测：封装了单测运行、视觉稿对比、性能performance等质量检测功能。
打包上传：通过waftbuild构建wasm包和多平台AOT包，并支持和云端技能平台关联进行上传和发布。
运行监控：在运行态下，Waft框架和容器已经默认携带了应用的性能监控和基础数据埋点能力，后期会在开发者平台逐渐对三方开发者开放。
开发调试工具
调试工具(DevTools)可以帮助开发者更容易地定位与解决问题，目前功能支持了元素，日志，网络请求信息检查，如下方视频所示。
为了达到web的开发调试体验，Waft遵循了Chrome的调试协议(ChromeDebugProtocol)，通过Chrome浏览器内置的调试工具，提供日志、元素审查、网络请求监控等功能。下图展示了调试器如何与设备进行通信，并获取调试信息的流程：
低代码开发工具
Waft作为“端云一体化”框架，不仅支持通过源码方式开发复杂的应用，同样支持通过低代码搭建平台，更高效、灵活的开发“轻服务”。轻服务，是连接用户意图与服务之间的直通桥梁，将原本藏在技能、应用的原子化服务释放出来，方便用户在天猫精灵端上直接触达某一个特定的完整功能，而无需提前打开技能、应用。在天猫精灵上创建一个轻服务的流程如下：
下面是低代码开发的演示视频：
业务形态Waft已支持多种业务表现形态，可根据设备形态和应用形态灵活使用。
智能场景
特点：云端编排剧本，将多个页面组合为智能场景，交互逻辑由云端决策，终端做页面展示与用户操作反馈。
适用领域：适用于助手类业务，如：早上好、晚上好、回家/离家模式等。
单页面
特点：云端下发数据和模版，终端通过DataBinding实现信息的透出，重展示轻交互。
适用领域：适用于信息展示为主的领域、如：天气、时间、百科等
轻服务
特点：兼顾核心信息展示与应用导流的作用，并通过声屏联动，在恰当时机内自动关闭轻服务弹窗
适用领域：适用于关键信息查询，且背后都有一个完整应用的领域，如：查快递、查课表等。
浮层
特点：不打扰当前页面交互，以简洁的方式和当前页面融合。
适用领域：屏幕特效，如：放鞭炮/烟花/炸弹等；以及个人相关时效性信息的推送通知，如：快递、外卖等；
Widget
可做为Widget，嵌入到任意页面内，以信息流的方式，实现内容透出、分发和引流。
6.6多端适配可针对不同的设备不同场景，做差异化的适配，以提供更好的交互流程，提升用户交互体验。在保证基础交互一致性的基础上，充分利用设备硬件特点和优势。如我们在优酷TV大屏上天气展示：
总结与展望自.09年开始到现在，Waft经过大半年的发展，上线了10多个业务：早上好、晚安等智能场景，天气、时间等单页应用，查快递、查疫情等原子化的轻服务，放鞭炮、放烟花等节日彩蛋特效；除了天猫精灵自研设备外，还在优酷TV大屏、海尔电视等生态设备上线，阶段性地完成了最初的一些技术设想与目标。
高性能
Waft最核心的目标是高性能，能快速的响应用户的请求。以下是Waft在天猫精灵1G设备上的性能表现，截取其中三个线上业务的监控数据：
下面是猫精版的蚂蚁森林，在1G设备上，Waft和小程序方案的冷启动对比视频：
虽然当前的性能表现还不错，但性能是Waft立足之本，我们会进一步挑战冷启1.5s，热启1s的极致体验。从当前业务性能监控来看，启动耗时的瓶颈在于渲染，因此，渲染引擎的优化将是我们后续重点投入的方向。
原子化
提面提到过的原子化服务包含两重含义：
化整为零：超级应用的核心内容短平快直达，缩短用户获取服务的路径。
化零为整：多来源的服务组合成场景化应用，提升用户的需求满足度。
已上线原子化服务有：快递、课表、疫情、股市大盘、蚂蚁能量等，用户可快捷获取这些服务的核心信息。
服务原子化后，还带来了更多的可能性：1）可以很方便被各种场景组合，如天猫精灵上早上好、晚上好等场景。在这些场景内编排组合了天气、时间、限行、早安新闻、精选歌单等多个原子化的服务。
2）也可以嵌入到其他页面内，提供分发效率。如在天猫精灵的“服务直达“页面内，嵌入了多个Waft的轻服务卡片。
跨平台
Waft的核心模块都是使用C/C++开发的，可便于做多平台的移植。目前已经在Android端上线，并且在RTOS和Linux平台已跑通DEMO。因Waft是聚焦在AIoT领域，暂不考虑iOS设备：
除了技术框架的跨平台外，对于不同屏幕的UI自适应也是我们的一个重点方向：
多语言
得益于WebAssembly的技术优势，借助开源社区的力量，可支持多语言开发。当前已支持AssemblyScript，C/C++/Rust也经过可行性验证。我们还会陆续支持C/C++、Kotlin、Swift、Golang等开发语言。
我们会持续基于WebAssembly和自绘渲染引擎做更多的探索和尝试。如果您对WebAssembly或者AIoT领域的应用研发也感兴趣，欢迎在文末评论区留言和我们进行交流。如果您想加入猫精大前端团队一起探索，欢迎发送简历到ziyuan.tzy
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