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Node.js技术架构

Node.js技术架构

作者: 左冬的博客 | 来源:发表于2020-06-07 16:18 被阅读0次

    Node.js是什么？

    Node.js最初开始于2009年，让JavaScript代码离开浏览器的执行环境也可以执行

    可以将Node.js理解为一个将多种技术组合起来的平台，可以使用JavaScript调用系统接口，开发后端应用

    既然说到将多种技术组合起来，那么可以先看看Node.js用到了哪些技术


    node v1.0.png

    图片是nodejs v1.0也就是最早发布的node版本下的deps文件，也就是nodejs所用到的依赖

    • cares：用C-ares做域名解析
    • gtest：是C/C++的单元测试框架
    • http-parser：用来解析http
    • npm：包管理工具
    • openssl：用来解析https
    • uv：一个跨平台的异步I/O库
    • v8：google开发的js引擎，为js提供运行环境
    • zlib：用来做加密

    那么这些技术又是怎么进行组合的呢，再看看Node.js的技术架构

    node技术架构.png

    将Node.js分成三层

    • 首先最上层是node api，提供http模块、流模块、文件模块等等，可以使用js直接调用
    • 中间层node bindings主要是使js和C/C++进行通信
    • 最下面这一层是支撑nodejs运行的关键，主要由v8、libuv、c-ares等模块组成，向上一层提供api服务

    相信我们或多或少都接触过第一层Node api，刚刚也通过Node安装的依赖初步了解了最下层的模块具有什么功能，那么中间的这个Node bindings又是什么呢？

    什么是Node bindings？

    背景：C/C++实现了一个用来解析http的库http-parser，非常高效，可是对于只会写js的程序员非常的不友好，因为没有办法直接去调用这个C/C++的库，这两个语言连最基本的数据类型都不一样，还怎么做朋友
    结论：js无法直接调用C++的库，需要一个中间的桥梁（调用途径）

    那么bindings需要怎么实现呢？
    Node.js的作者Ryan做了一个中间层处理

    • Node.js用C++对http-parse进行封装，使它符合某些要求（比如统一数据类型），封装好的文件叫做http_parse_binding.cpp
    • 用Node.js提供的编译工具将其编译为.node文件
    • js代码可以直接通过require关键字引入这个.node文件

    这样js就能够调用C++库，这个中间的桥梁就是bindings，由于node提供了很多binding，所以就叫做node bindings

    JS如何与C++通信？

    // test.js
const addon = require('./build/Release/addon');

console.log('This should be eight:', addon.add(3, 5));

    上面是js调用，再来看看C++代码（已被编译）

    // addon.cc
#include <node.h>

namespace demo {

using v8::Exception;
using v8::FunctionCallbackInfo;
using v8::Isolate;
using v8::Local;
using v8::NewStringType;
using v8::Number;
using v8::Object;
using v8::String;
using v8::Value;

// 这是 "add" 方法的实现。
// 输入参数使用 const FunctionCallbackInfo<Value>& args 结构传入。
void Add(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
  Isolate* isolate = args.GetIsolate();

  // 检查传入的参数的个数。
  if (args.Length() < 2) {
    // 抛出一个错误并传回到 JavaScript。
    isolate->ThrowException(Exception::TypeError(
        String::NewFromUtf8(isolate, 
                        "参数的数量错误",
                            NewStringType::kNormal).ToLocalChecked()));
    return;
  }

  // 检查参数的类型。
  if (!args[0]->IsNumber() || !args[1]->IsNumber()) {
    isolate->ThrowException(Exception::TypeError(
        String::NewFromUtf8(isolate, 
                        "参数错误",
                            NewStringType::kNormal).ToLocalChecked()));
    return;
  }

  // 执行操作
  double value =
      args[0].As<Number>()->Value() + args[1].As<Number>()->Value();
  Local<Number> num = Number::New(isolate, value);

  // 设置返回值 (使用传入的 FunctionCallbackInfo<Value>&)。
  args.GetReturnValue().Set(num);
}

void Init(Local<Object> exports) {
  NODE_SET_METHOD(exports, "add", Add);
}

NODE_MODULE(NODE
_GYP_MODULE_NAME, Init)

}  // 命名空间示例

    Nodejs封装的插件开放一些对象和函数，供运行在Node.js中的JS访问，当JS调用函数addon时，输入参数和返回值与C/C++代码相互映射，统一封装处理。这样就可以直接在Node.js中引入并使用

    // test.js
const addon = require('./build/Release/addon');
// 传入一个函数
addon((msg) => {
  console.log(msg);
// 打印: 'hello world'
});

    传入C++并执行

    // addon.cc
#include <node.h>

namespace demo {

using v8::Context;
using v8::Function;
using v8::FunctionCallbackInfo;
using v8::Isolate;
using v8::Local;
using v8::NewStringType;
using v8::Null;
using v8::Object;
using v8::String;
using v8::Value;

void RunCallback(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
  Isolate* isolate = args.GetIsolate();
  Local<Context> context = isolate->GetCurrentContext();
  Local<Function> cb = Local<Function>::Cast(args[0]);
  const unsigned argc = 1;
  // 这里有一个c++方法，将args[0]也就是我们传入的函数，转化成c++看得懂的，用cb接收
  Local<Value> argv[argc] = {
      String::NewFromUtf8(isolate,
                          "hello world",
                          NewStringType::kNormal).ToLocalChecked() };
  // 调用一下，传入的函数就被调用了，打印出hello world
  cb->Call(context, Null(isolate), argc, argv).ToLocalChecked();
}

void Init(Local<Object> exports, Local<Object> module) {
  NODE_SET_METHOD(module, "exports", RunCallback);
}

NODE_MODULE(NODE_GYP_MODULE_NAME, Init)

}

    在这个例子中，回调函数被同步地调用，要知道C++是看不懂JS的，所以如何做中间层的封装就交给这些node插件去做

    有了这些Node.js提供的插件(node binding)，JS和C++就可以进行交互了，也使JS的能力被大大的扩展了

    再回顾一下Node.js的技术架构

    node技术架构.png

    刚刚详细介绍了什么是Node bindings，它是如何工作的，接着再来看最下面一层功能模块


    下载.png

    什么是V8

    它是Google开发的js引擎，为js提供运行环境
    为啥是v8？它是现阶段执行js最快的一个引擎

    那么v8的功能有哪些呢

    • 将JS源代码变成本地代码并执行
    • 维护调用栈，确保JS函数的执行顺序
    • 内存管理，为所有对象分配内存
    • 垃圾回收，重复利用无用的内存
    • 实现JS的标准库

    逐个分析一下：

    • 啥是本地代码？其实本地代码就是机器代码，就比如说0和1，计算机看到这些代码直接就可以执行，不再需要借助其他的任何工具，非常的高效。V8在运行之前将js编译成了机器代码
    • JS函数的执行顺序是由v8引擎决定的
    • 那么v8如何做内存管理呢？比如说new一个对象，它的内存在哪里，也是引擎来决定的
    • 而垃圾回收，是因为内存是有限的，比如用了2k的内存，用完了还得还回来给下一个程序用，所以目的就是为了重复利用
    • 标准库这个怎么理解？其实就是实现数组的sort，splice等等api，v8来实现，js来调用

    需要注意的是：js是单线程的，而V8本身是多线程的，开一个线程执行js，开一个线程清理内存，然后再处理一些其他别的活儿，线程和线程之间毫无瓜葛

    什么是libuv

    背景：因为各个系统的I/O库都不一样，windows系统有IOCP，Linux系统有epoll。Node.js的作者Ryan为了将其整合在一起实现一个跨平台的异步I/O库，开始写libuv

    好了，背景说完了，啥是I/O？
    例如：

    • 从操作系统写文件到硬盘
    • 访问网络，从操作系统发出数据到别的服务器
    • 打印连接打印机，从操作系统发指令给打印机

    以上这些行为都是I/O，可以理解为系统和外界进行交互的过程都叫I/O

    而libuv会根据你是什么系统，自动的选择当前系统已经实现好了的异步操作（I/O）库，用于TCP/UDP/DNS文件等的异步操作

    • 比如操作TCP，我们都知道http是基于TCP/IP的，如果可以操作TCP那么，就可以做http的服务
    • UDP，用于实时通信，常见的QQ聊天
    • 解析DNS

    包括读文件、写文件什么的，libuv都可以帮你管理。这样I/O的部分就全部交给c语言去做，js完全不用管，甩手掌柜，负责调用就行了

    v8和libuv在整个Node.js架构的底层是最为重要的，其他功能就不做详细介绍了

    Node.js工作流程

    Node.js工作流程

    了解了Node Bindings、v8、还有libuv貌似可以把工作流程串一串了

    Application就是咱们写的代码，把它放在v8上面去运行。发现需要去读一个文件，这时候libuv开一个线程去读文件。读完文件，操作系统会返回一个事件给event loop，event loop就把文件传回给v8，再给到代码

    Emmm...
    还是先了解一下Event Loop吧


    images.jpeg

    什么是Event Loop

    Event Loop，是Event和Loop

    • Event
      计时器到期了、文件可以读取了、读取出错了

    比如说在js里面写一个setTimeOut，10秒之后打印一行字，所以当10秒钟到了，就会产生一个事件，执行回调
    什么时候文件可以读，什么时候文件可以写，或者说读取出错的时候，就需要操作系统生成一个事件（Event）告诉js，因为js啥也不知道
    一般来说事件分两种，内部的和外部事件，比如计时器就是内部事件，文件读取就是外部的，因为文件在硬盘上面，硬盘和操作系统又是分开的

    • Loop
      Loop就是循环，由于事件分优先级，所以处理起来也是分先后顺序，所以Node.js需要按顺序轮询每种事件，轮询是循环的

    既然说到事件优先级，举个例子，有三种不同的事件

    setTimeout(fn1, 100) // 计时器到期了
fs.readFile(‘/1.txt’, fn2) // 文件可以读了
server.on(‘close’, fn3) // 服务器关闭了

    以上三种事件如果同时发生，执行顺序是怎么样的？

    1. 执行读文件，文件来了立马去读
      因为如果文件可以读了现在不读，没准儿过会儿就不能读了
    2. 执行服务器事件
      用户请求进来，可以稍微等一会儿，但是如果太久了也可能就不请求了
    3. 执行定时器的事件
      定时器可以拖一下

    这个顺序是人为规定的，接着循环

    人为规定了一个优先级也就是一个执行顺序，这个人为规定就是event loop

    总结下来就是三句话

    • 对不同的事件分优先级
    • node.js顺序的去轮询每一种事件
    • 把这个过程看成循环圈

    示意如图：


    图片 4.png

    timer：先看看有没有计时器，有了执行
    I/O：有咩有其他没有归类的回调
    Idle：空闲一会儿，清理战场
    Poll：轮询阶段，处理大部分的事件（文件可读了？读！http请求来了，处理！）
    Check：处理setImmediate回调
    Close callback：看看有没有socket关闭的回调
    ------------循环-----------------
    但是node.js不傻，不会一直循环循环，如果发现没什么事儿做，就会停留在poll（轮询）阶段

    轮询的阶段呢，会看看有没有文件可以读，有没有请求可以处理，就等着，时不时的看看有没有新的代码，或者检查一下最近的计时器，看看有没有需要过会儿去执行的callback

    如果计时器事件要处理了，我再从下出发，绕回timers

    Node.js大部分时间都会停留在poll阶段，大部分事件都在poll阶段被处理，如文件、网络请求

    相信大家对Event Loop有了一个初步的了解和认识，那么看回Node.js工作流程

    Node.js工作流程
    1. Application就是咱们写的代码，把它放在v8上面去运行
    2. 运行的过程中，发现我们写了个setTimeout，v8就会调用Node.js的bindings，把这个settimeout放进Even loop里面
    3. Event loop就会等待适合的时机去发送一个事件去执行这些js代码，接着循环等待，一般停留在poll阶段久一些
    4. 发现需要去读一个文件，这时候Event loop就会通过libuv开一个线程去专门做读文件这事儿
    5. 读完文件，操作系统会返回一个事件给Event loop，Event loop就把文件传回给v8，最后给到代码

    需要注意js从头至尾都不参与读文件这个事情，libuv去读
    （可以看到最最重要的部分是libuv和v8，而我们写的代码只占小小的一部分）

    一句话就是，代码到v8，通过Node api 使用libuv和其他一些C/C++提供的功能去完成用户所需要的功能
    Nodejs将这些模块进行整合，所以说Node.js不是一门语言，就是一个平台

    下载 _1_.jpeg

    最后的最后，回顾总结一下

    • 用libuv进行异步I/O操作
      Node.js是使用libuv进行异步I/O操作，一般来说读文件是一个同步的动作，这时候有了libuv，Nodejs就把这活儿交给了libuv，让libuv去读这个文件，这时候Node.js就没有什么事儿可以做了，等libuv读完了发过来一个事件，Node.js再接手处理，这就是个很重要的异步过程
    • 用Event loop管理事件处理顺序
      基于libuv，Nodejs又实现了一个Even loop用来管理不同事件的处理顺序
    • 用C/C++库高效处理DNS/HTTP…
      Nodejs还使用一些C++的库，高效的处理了dns/http等常用功能，有了这些功能，基本上就可以处理文件，处理网络等一些杂七杂八的事情
    • 用bindings让JS能和C/C++沟通
      咱们再如何使用js也使用这些功能呢，这时候bindings的价值就体现出来了，让js能够直接和c++沟通，直接require一下.node文件
    • 用V8运行JS
      接着Nodejs又引入了v8，让js代码离开浏览器的执行环境也能够运行
    • 用Node.js标准库简化JS代码
      Node很贴心的给用户准备了很高效的库，比如http，fs之类的，大大简化了你的js代码

    那么为啥nodejs可以高效的处理这些请求呢？因为直接使用c语言的代码，要比js快

    这就是Node.js

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