走進Node.js之啟動過程剖析

作者：正龍 （滬江Web前端開發工程師） 本文原創，轉載請註明作者及出處。

隨著Node.js的普及，越來越多的開發者使用Node.js來搭建環境，也有很多公司開始把Web站點遷移到Node.js伺服器。Node.js的優勢顯而易見，本文不再贅述，那麼它是如何做到的呢？內部的邏輯又是什麼？帶著這些問題，筆者開始了研究Node.js的漫漫長征路。今天，筆者將跟大家探討一下Node.js的啟動原理。

Node.js內部主要依賴Google的V8引擎和libuv實現。V8，想必大家會比較熟悉，它首創把JavaScript直接翻譯成彙編程式碼的方式執行，讓很多不可能變成了可能，例如Node.js。libuv，是一個跨平臺的非同步IO庫，它所說的IO除了包含本地檔案操作，還包含TCP、UDP等網路套接字操作，範圍甚至可以擴充套件到所有流操作（Stream）。所以，我們可以把Node.js理解為新增了網路功能的V8。

為了描述方便，下面提到的環境是基於Windows 7專業版。用MAC的夥伴們也不用慌，內容實質仍然適用，可能具體名詞有些區別。另外，夥伴們可以下載一份Node.js的原始碼（點此下載），本文用的是6.10.0 LTS。

我們開啟Node.js的二進位制釋出包，裡面內容很簡單：node.exe、npm和node.h標頭檔案。node.h標頭檔案只有開發Node.js外掛時才會用到。當我們啟動node.exe時，它到底做了哪些事情？

首先，它是一個EXE可執行檔案，那肯定會有一個main函式。Node.js的main函式定義在node_main.cc中，它主要是初始化V8 Platform和v8引擎；然後會啟動一個Node.js例項。具體呼叫鏈路如圖：

Init函式主要是解析Node.js啟動引數，並過濾V8選項傳給JavaScript引擎。

Node.js的main函式原來這麼短，那它應該很快執行完並返回。實際上，命令列視窗會一直等待著，並沒有馬上退出，這又是怎麼回事呢？答案就在StartInstance裡。首先它會建立V8執行沙盒，生成並初始化Node.js執行環境物件，然後啟動Node.js的迴圈等待。具體如圖：

也就是說Node.js的主執行緒主要消費來自UV預設事件迴圈(uv_default_loop)和V8的MainThreadQueue和MainThreadDelayedQueue的任務。uv_run是一個阻塞呼叫。如果佇列中有任務，則執行並返回true，如果沒有的話，會阻塞住當前執行緒；如果返回false，則整個Node.js程式會釋放資源並退出。注意引數UV_RUN_ONCE，意思是從佇列中只取一個任務執行，不管佇列中當前是否有多個任務。

到這兒，大概可以理解到Node.js的“單執行緒”是怎麼回事。那執行的Node.js程式確實只開啟了一個執行緒嗎？我們開啟工作管理員看看：

實際上，Node.js程式當前有7個執行緒。查閱文件之後發現，Node.js通過指定引數--v8-pool-size可以設定V8執行緒池大小。原來V8的位元組碼編譯、優化還有GC都是通過多執行緒完成；又繼續深入調查，發現環境變數UV_THREADPOOL_SIZE會影響libuv的執行緒池大小。

Node.js目前為止做的事情可以歸納為，初始化V8和libuv。接下來，我們看看Node.js自身執行環境是怎樣構建起來的。Node.js自身的執行環境由Environment類表示，我們需要把process物件構建起來。process物件在JavaScript應用程式碼中是可以訪問到，它的文件可以狠戳這兒。注意，process現在還沒有賦值給Global物件。CreateEnvironment執行流程如圖：

呼叫setAutorunMicrotask禁止V8自己消費佇列中的任務。SetupProcessObject主要設定process的屬性，例如比較重要的binding，還有其它提供給開發者的欄位，比如cpuUsage、hrtime、uptime等。binding用於獲取C/C++構建的模組，Node.js中的net庫就是通過這種方式最終呼叫到libuv。

binding就是做模組查詢，其執行過程如下：

1. 從Args中獲取到模組名稱。
2. 從Binding Cache中看是否能找到模組，如果有直接返回模組的exports。
3. 3往Module Load List中追加一條模組記錄，名稱為"binding " + 模組名。
4. 呼叫get_builtin_module，引數是模組名，get_builtin_module會從modlist_builtin列表中查詢內建模組，所有內建模組和第三方擴充套件都記錄在modlist_builtin列表中。C/C++模組通過NODE_MODULE_CONTEXT_AWARE_BUILTIN註冊，第三方擴充套件模組通過NODE_MODULE註冊。最終都會呼叫node_module_register。node_module結構體包含註冊函式、模組名稱、檔名稱等資訊。
5. 如果查詢到，則返回對應模組的exports。
6. 如果模組名是constants，則呼叫DefineContstants。
7. 如果模組名是natives，則呼叫DefineJavaScript，會返回所有內建模組，它們一般由Javascript實現。這些模組在/lib目錄下，會通過js2c.py轉成c程式碼，js2c.py會生成一個臨時檔案node_natives.h，裡面包含了NODE_NATIVES_MAP的定義。
8. 否則，丟擲錯誤：沒有指定名稱的模組。

環境物件準備好之後，就開始真正載入Node.js自身提供的JavaScript類庫程式碼。LoadEnvironment執行過程如下：

1. 呼叫ExecuteString執行bootstrap_node.js。bootstrap_node.js檔案裡定義了一個函式它會往Global物件上新增屬性，通過internal/module載入Node.js自身提供的JavaScript類庫。
2. 執行上一步返回的函式，並傳入env->process_object()物件。

到這兒，我們可以總結2個問題：

1. Node.js裡面自己提供的JavaScript庫是怎麼實現的？

   通過C/C++程式碼封裝成Node.js內建模組，然後再通過process.binding暴露給JavaScript。

2. JavaScript庫檔案是怎麼打包在node.exe中？

   Node.js內建的JavaScript檔案，通過js2c.py編譯生成臨時檔案node_natives.h。

原理思路基本搞明白之後，下面我們來做個小例項：如何把C++物件暴露給JavaScript。 程式主要是C++和JavaScript的互動，通過Node.js外掛的方式執行。所以大家需要先了解下如何編譯Node.js外掛，官方文件猛戳這兒。

首先定義要匯出的C++類，構造器可以傳入一個數值；呼叫成員方法PlusOne，數值自增1並返回當前值。

namespace demo {
    class MyObject : public node::ObjectWrap {
    public:
        static void Init(v8::Local<v8::Object> exports);
        static void NewInstance(const v8::FunctionCallbackInfo<v8::Value>& args);
        inline double value() const { return _value; }

    private:
        explicit MyObject(double value = 0);
        ~MyObject();

        static void New(const v8::FunctionCallbackInfo<v8::Value>& args);
        static void PlusOne(const v8::FunctionCallbackInfo<v8::Value>& args);
        static v8::Persistent<v8::Function> constructor;
        double _value;
    };
}
複製程式碼

實現檔案

    void MyObject::NewInstance(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
        Isolate* isolate = args.GetIsolate();

        const unsigned argc = 1;
        Local<Value> argv[argc] = { args[0] };
        Local<Function> cons = Local<Function>::New(isolate, constructor);
        Local<Context> context = isolate->GetCurrentContext();
        Local<Object> instance = cons->NewInstance(context, argc, argv).ToLocalChecked();

        args.GetReturnValue().Set(instance);
    }


    void MyObject::Init(Local<Object> exports) {
        Isolate* isolate = exports->GetIsolate();

        Local<FunctionTemplate> tpl = FunctionTemplate::New(isolate, New);
        tpl->SetClassName(String::NewFromUtf8(isolate, "MyObject"));
        tpl->InstanceTemplate()->SetInternalFieldCount(1);

        NODE_SET_PROTOTYPE_METHOD(tpl, "plusOne", PlusOne);

        constructor.Reset(isolate, tpl->GetFunction());
        exports->Set(String::NewFromUtf8(isolate, "MyObject"), tpl->GetFunction());
    }

    void MyObject::New(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
        double value = args[0]->IsUndefined() ? 0 : args[0]->NumberValue();
        MyObject* obj = new MyObject(value);
        obj->Wrap(args.This());
        args.GetReturnValue().Set(args.This());
    }

    void MyObject::PlusOne(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
        Isolate* isolate = args.GetIsolate();
        MyObject* obj = ObjectWrap::Unwrap<MyObject>(args.Holder());
        obj->_value += 1;

        args.GetReturnValue().Set(Number::New(isolate, obj->_value));
    }

    NODE_MODULE(addon, MyObject::Init)
複製程式碼

修改binding.gyp檔案

{
  "targets": [
    {
      "target_name": "addon",
      "sources": [ "myobject.cc" ]
    }
  ]
}
複製程式碼

通過node-gyp build編譯成功之後會在build/Release/目錄下生成檔案addon.node。這樣我們就可以在JavaScript中使用MyObject了：

const addon = require('./addon');

let obj = new addon.MyObject();
console.log(obj.plusOne());
console.log(obj.plusOne());
console.log(obj.plusOne());

let obj1 = new addon.MyObject(10);
console.log(obj1.plusOne());
複製程式碼

執行結果如下：

雖然Node.js的啟動過程很簡潔，但還是有一些問題可以繼續深挖。比如，一個網路請求在Node.js中到底是怎麼被處理的呢？希望本文可以拋磚引玉，在入門階段給大家一點幫助。

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