Node.js技术架构

2020-06-07  本文已影响0人  左冬的博客

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

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

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

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

逐个分析一下：

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：

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

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

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

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

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

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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