nodejs如何利用libuv实现事件循环和异步

  1. nodejs是什么?
  2. libuv的工作原理
  3. nodejs的工作原理
  4. nodejs如何使用libuv实现事件循环和异步

1 nodejs是什么?

Nodejs是对js功能的拓展。提供了网络、文件、dns解析、进程线程等功能。

1.1 Nodejs是如何拓展js功能的?

利用v8提供的接口。

1.2 如何在v8新建一个自定义的功能?

// c++里定义
Handle<FunctionTemplate> Test = FunctionTemplate::New(cb);    
global->Set(String::New(“Test"), Test);  

// js里使用  
var test = new Test();

1.3 nodejs是如何实现拓展的

但nodejs不是给每个功能拓展一个对象,而是拓展一个process对象,再通过process.binding拓展js功能。Nodejs定义了一个js对象process,映射到一个c++对象process,底层维护了一个c++模块的链表,js通过调用js层的process.binding,访问到c++的process对象,从而访问c++模块(类似访问js的Object、Date等)。

2 libuv的工作原理

2.1 Libuv是什么?为什么nodejs需要他?

libuv是一个跨平台异步IO库。因为Nodejs是单线程的,作为服务器,他涉及到IO,而IO是会阻塞的,从而影响性能。所以Nodejs把IO操作交给libuv,保证主线程可以继续处理其他事情。Libuv做了什么?Libuv主要是,利用系统提供的事件驱动模块解决网络异步IO,利用线程池解决文件IO。另外还实现了定时器,对进程,线程等使用进行了封装。

1 新建一个uv_loop_t* loop。loop中保存了各个阶段对应的数据结构。

2 执行uv_run函数进入死循环。

3 用户(nodejs)操作loop里的结构,注册事件和回调。

4 libuv在每一轮循环里处理各个阶段。

2.2 libuv的各个阶段(phase)

1 定时器(setTimeout)

2 pending callback

3 idle(自定义)

4 prepare(自定义)

5 poll i/o(网络和文件IO)

6 check(setImmediate)

7 close callback(关闭一个handle)

2.3 libuv的实现

最小堆(定时器)

链表(check、idle等)

线程池(文件io)

操作系统提供的事件驱动模块(网络io)

3 Nodejs的启动流程

1 注册内置c++模块(通过process.binding函数使用内置c++模块)。

2 新建process的c++对象,设置一系列属性(binding),然后挂载到全局。

3 执行bootstrap_node.js,初始化和挂载nextTick,setTimeout等函数,然后加载用户js,编译执行。

4 调用libuv开始事件循环。

3.1 注册内置c++模块

1 每个c++模块由一个node_module结构体管理。

2 用链表的方式把各个模块的node_module连接起来。

3 运行时,js通过process.binding函数从链表中找到对应的模块,从而使用c++模块功能。

3.2 process对象的生成和作用

1 新建一个c++的process对象

// 利用v8新建一个函数  
auto process_template = FunctionTemplate::New(isolate()); 
// 设置函数名  
process_template->SetClassName(FIXED_ONE_BYTE_STRING(isolate(), "process"));  
// 利用函数new一个对象  auto process_object =      process_template->GetFunction()->NewInstance(context()).ToLocalChecked(); 
 // 设置env的一个属性,类型是Object,val是process_object  
set_process_object(process_object);

2 nodejs如何访问global?

通过给global增加一个global属性

 Local<Object> global = env->context()->Global();    
 global->Set("global", global);

3 nodejs如果设置process对象?

编译node_bootstrap.js成c++代码,执行时传入c++的process对象,执行global.process = process; 从js层面来看,是多了一个全局变量process

4 process的Binding函数

process.Binding加载c++模块。实现js使用c++模块功能。const { TCP } = process.binding('tcp_wrap'); const tcp = new TCP();tcp.listen();js里通过process.binding加载一个c++模块的时候,这段js在编译后执行,首先访问js层的process对象,v8知道js的process对象对应是c++的process对象,再通过底层的Binding,就可以使用c++模块的功能了。

3.3 执行bootstrap_node.js

1 挂载全局变量setTimeout,Buffer等,给process对象挂载nexTick函数等初始化工作。

2 执行用户js

3.4 调用libuv开始事件循环。

4 nodejs如何利用libuv实现异步和事件循环?

如何生成任务给事件循环系统消费?

1 setTimeout

2 setImmediate

3 文件io

4 网络io

4.1 setTimeout的实现

setTimeout对应的数据结构

1 用户调用setTimeout,设置时间是s秒

2 找到s对应的链表L。

3 如果L不存在则新建一个,并在libuv最小堆里新增一个超时节点。

4 往链表L头部插入一个Timeout节点。返回。(最早超时在链表末尾)

5 uv_run执行uv__run_timers判断是否有超时节点。

6 从后往前遍历链表L,如果当前节点没有超时则全部没有超时,设置新的超时时间,否则执行超时回调。

4.2 setImmediate实现

1 nodejs启动的时候注册了check阶段的一个c++层回调是CheckImmediate,该函数再执行js回调processImmediate

2 用户调用setImmediate,生成一个节点插到双向链表。返回。

3 uv_run在check阶段。执行回调。setImmediate和setTimeout的关系这两个其实没什么关系,对应的阶段也不一样。

4.3 文件io

为啥用线程池实现文件操作的异步?

因为文件的异步操作在各操作系统中兼容性不好。libuv线程池默认打开4个,最多打开128个线程。所有线程共享一个任务队列,当有任务的时候,添加到任务队列,线程的工作函数在死循环里不断处理队列里的任务。Libuv初始化的时候,注册了一个异步的io观察者A,用于子线程和主线程间通信的。 io观察者A设置了一个管道文件描述符和回调。子线程完成任务后设置该任务的标记位,然后通过管道通知主线程,主线程在uv_run的poll io阶段会执行观察者A的回调,观察者的回调会判断每个异步任务的状态。然后执行用户的回调。

文件操作的过程

1 打开一个文件,新建一个c++ FSReqWrap对象。设置用户回调。调用FSReqWrap对象的Open,接着调用libuv层uv_fs_open。 uv_fs_open。Libuv生成一个任务放到线程池的任务队列,返回nodejs。Nodejs可以继续做其他事情。

2 线程池处理该任务,线程会阻塞直到任务完成。比如读写文件,dns查询,然后设置任务的完成标记,可以通过管道写端通知主线程。主线程执行c++层回调,再执行js层回调。

4.4 网络io

网络io的实现方案。利用操作系统提供的事件驱动模块。

var http = require('http'); 
http.createServer(function (request, response) { response.end('Hello World\n'); }).listen(9297);

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