干货剖析 | 走进Node.js之启动过程

傷城~ 2022-02-24 07:50 315阅读 0赞

> 作者：正龙 （沪江Web前端开发工程师）  
> 本文原创，转载请注明作者及出处。

随着Node.js的普及，越来越多的开发者使用Node.js来搭建环境，也有很多公司开始把Web站点迁移到Node.js服务器。Node.js的优势显而易见，本文不再赘述，那么它是如何做到的呢？内部的逻辑又是什么？带着这些问题，笔者开始了研究Node.js的漫漫长征路。今天，笔者将跟大家探讨一下Node.js的启动原理。

Node.js内部主要依赖Google的[V8引擎][V8]和[libuv][]实现。V8，想必大家会比较熟悉，它首创把JavaScript直接翻译成汇编代码的方式执行，让很多不可能变成了可能，例如Node.js。libuv，是一个跨平台的异步IO库，它所说的IO除了包含本地文件操作，还包含TCP、UDP等网络套接字操作，范围甚至可以扩展到所有流操作（Stream）。所以，我们可以把Node.js理解为添加了网络功能的V8。

**为了描述方便，下面提到的环境是基于Windows 7专业版。用MAC的伙伴们也不用慌，内容实质仍然适用，可能具体名词有些区别。另外，伙伴们可以下载一份Node.js的源代码（[点此下载][Link 1]），本文用的是6.10.0 LTS。**

我们打开Node.js的二进制发布包，里面内容很简单：node.exe、npm和node.h头文件。node.h头文件只有开发Node.js插件时才会用到。当我们启动node.exe时，它到底做了哪些事情？

首先，它是一个EXE可执行文件，那肯定会有一个main函数。Node.js的main函数定义在node\_main.cc中，它主要是初始化V8 Platform和v8引擎；然后会启动一个Node.js实例。具体调用链路如图：

![891fbc4d87444ddfc26f.png][]

Init函数主要是解析Node.js启动参数，并过滤V8选项传给JavaScript引擎。

Node.js的main函数原来这么短，那它应该很快运行完并返回。实际上，命令行窗口会一直等待着，并没有马上退出，这又是怎么回事呢？答案就在StartInstance里。首先它会创建V8执行沙盒，生成并初始化Node.js运行环境对象，然后启动Node.js的循环等待。具体如图：

![f2d430e9d2f36e789770.png][]

也就是说Node.js的主线程主要消费来自UV默认事件循环(uv\_default\_loop)和V8的MainThreadQueue和MainThreadDelayedQueue的任务。uv\_run是一个阻塞调用。如果队列中有任务，则执行并返回true，如果没有的话，会阻塞住当前线程；如果返回false，则整个Node.js进程会释放资源并退出。注意参数UV\_RUN\_ONCE，意思是从队列中只取一个任务执行，不管队列中当前是否有多个任务。

到这儿，大概可以理解到Node.js的“单线程”是怎么回事。那运行的Node.js进程确实只开启了一个线程吗？我们打开任务管理器看看：

![4ea7edd0590e245575d4.png][]

实际上，Node.js进程当前有7个线程。查阅文档之后发现，Node.js通过指定参数--v8-pool-size可以设置V8线程池大小。原来V8的字节码编译、优化还有GC都是通过多线程完成；又继续深入调查，发现环境变量UV\_THREADPOOL\_SIZE会影响libuv的线程池大小。

Node.js目前为止做的事情可以归纳为，初始化V8和libuv。接下来，我们看看Node.js自身运行环境是怎样构建起来的。Node.js自身的运行环境由Environment类表示，我们需要把process对象构建起来。process对象在JavaScript应用代码中是可以访问到，它的文档可以[狠戳这儿][Link 2]。注意，process现在还没有赋值给Global对象。CreateEnvironment执行流程如图：

![f095f06907faefb499cb.png][]

调用setAutorunMicrotask禁止V8自己消费队列中的任务。SetupProcessObject主要设置process的属性，例如比较重要的binding，还有其它提供给开发者的字段，比如cpuUsage、hrtime、uptime等。binding用于获取C/C++构建的模块，Node.js中的**net**库就是通过这种方式最终调用到libuv。

binding就是做模块查找，其执行过程如下：

1.  从Args中获取到模块名称。
2.  从Binding Cache中看是否能找到模块，如果有直接返回模块的exports。
3.  3往Module Load List中追加一条模块记录，名称为"binding " + 模块名。
4.  调用get\_builtin\_module，参数是模块名，get\_builtin\_module会从modlist\_builtin列表中查找内置模块，所有内置模块和第三方扩展都记录在modlist\_builtin列表中。C/C++模块通过NODE\_MODULE\_CONTEXT\_AWARE\_BUILTIN注册，第三方扩展模块通过NODE\_MODULE注册。最终都会调用node\_module\_register。node\_module结构体包含注册函数、模块名称、文件名称等信息。
5.  如果查找到，则返回对应模块的exports。
6.  如果模块名是constants，则调用DefineContstants。
7.  如果模块名是natives，则调用DefineJavaScript，会返回所有内置模块，它们一般由Javascript实现。这些模块在/lib目录下，会通过js2c.py转成c代码，js2c.py会生成一个临时文件node\_natives.h，里面包含了NODE\_NATIVES\_MAP的定义。
8.  否则，抛出错误：没有指定名称的模块。

环境对象准备好之后，就开始真正加载Node.js自身提供的JavaScript类库代码。LoadEnvironment执行过程如下：

1.  调用ExecuteString执行bootstrap\_node.js。bootstrap\_node.js文件里定义了一个函数它会往Global对象上添加属性，通过internal/module加载Node.js自身提供的JavaScript类库。
2.  执行上一步返回的函数，并传入env->process\_object()对象。

到这儿，我们可以总结2个问题：

1.  Node.js里面自己提供的JavaScript库是怎么实现的？
    
        通过C/C++代码封装成Node.js内置模块，然后再通过process.binding暴露给JavaScript。
2.  JavaScript库文件是怎么打包在node.exe中？
    
        Node.js内置的JavaScript文件，通过js2c.py编译生成临时文件node_natives.h。

原理思路基本搞明白之后，下面我们来做个小实例：如何把C++对象暴露给JavaScript。  
程序主要是C++和JavaScript的交互，通过Node.js插件的方式运行。所以大家需要先了解下如何编译Node.js插件，官方文档猛戳[这儿][Link 3]。

首先定义要导出的C++类，构造器可以传入一个数值；调用成员方法PlusOne，数值自增1并返回当前值。

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;
        };
    }

实现文件

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)

修改binding.gyp文件

{
      "targets": [
        {
          "target_name": "addon",
          "sources": [ "myobject.cc" ]
        }
      ]
    }

通过**node-gyp build**编译成功之后会在build/Release/目录下生成文件**addon.node**。这样我们就可以在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());

执行结果如下：

![ff87bb99a89ee3bfd25a.png][]

虽然Node.js的启动过程很简洁，但还是有一些问题可以继续深挖。比如，一个网络请求在Node.js中到底是怎么被处理的呢？希望本文可以抛砖引玉，在入门阶段给大家一点帮助。

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[V8]: https://developers.google.com/v8/
[libuv]: http://libuv.org/
[Link 1]: https://nodejs.org/en/download/
[891fbc4d87444ddfc26f.png]: https://dn-mhke0kuv.qbox.me/891fbc4d87444ddfc26f.png
[f2d430e9d2f36e789770.png]: https://dn-mhke0kuv.qbox.me/f2d430e9d2f36e789770.png
[4ea7edd0590e245575d4.png]: https://dn-mhke0kuv.qbox.me/4ea7edd0590e245575d4.png
[Link 2]: https://nodejs.org/dist/latest-v6.x/docs/api/process.html
[f095f06907faefb499cb.png]: https://dn-mhke0kuv.qbox.me/f095f06907faefb499cb.png
[Link 3]: https://nodejs.org/dist/latest-v6.x/docs/api/addons.html
[ff87bb99a89ee3bfd25a.png]: https://dn-mhke0kuv.qbox.me/ff87bb99a89ee3bfd25a.png
[b20bfd67fdd36c7244ea]: https://dn-mhke0kuv.qbox.me/b20bfd67fdd36c7244ea
[f57fe2f22dd4dc060e818fc8fd11ce2f]: https://user-gold-cdn.xitu.io/2017/8/31/f57fe2f22dd4dc060e818fc8fd11ce2f
[_Web_Web_zhouyao_hujiang.com]: https://m.bosszhipin.com/weijd/v2/job/7bbfc95b9f1e9c4a1nRy2926FVA~?date8=20170905&sid=self_jd