node.js中libuv事件轮询的示例分析
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提到 Node.js,相信大部分前端工程师都会想到基于它来开发服务端,只需要掌握 JavaScript 一门语言就可以成为全栈工程师,但其实 Node.js 的意义并不仅于此。
很多高级语言,执行权限都可以触及操作系统,而运行在浏览器端的 JavaScript 则例外,浏览器为其创建的沙箱环境,把前端工程师封闭在一个编程世界的象牙塔里。不过 Node.js 的出现则弥补了这个缺憾,前端工程师也可以触达计算机世界的底层。
所以 Nodejs 对于前端工程师的意义不仅在于提供了全栈开发能力,更重要的是为前端工程师打开了一扇通向计算机底层世界的大门。本文通过分析 Node.js 的实现原理来打开这扇大门。
Node.js源码结构
Node.js 源码仓库的 /deps 目录下有十几个依赖,其中既有 C 语言编写的模块(如 libuv、V8)也有JavaScript 语言编写的模块(如 acorn、acorn-plugins),如下图所示。
acorn:用 JavaScript 编写的轻量级 JavaScript 解析器。
acorn-plugins:acorn 的扩展模块,让 acorn 支持 ES6 特性解析,比如类声明。
brotli:C 语言编写的 Brotli 压缩算法。
cares:应该写为 “c-ares”,C 语言编写的用来处理异步 DNS 请求。
histogram:C 语言编写,实现柱状图生成功能。
icu-small:C 语言编写,为 Node.js 定制的 ICU(International Components for Unicode)库,包括一些用来操作 Unicode 的函数。
llhttp:C 语言编写,轻量级的 http 解析器。
nghttp2/nghttp3/ngtcp2:处理 HTTP/2、HTTP/3、TCP/2 协议。
node-inspect:让 Node.js 程序支持 CLI debug 调试模式。
npm:JavaScript 编写的 Node.js 模块管理器。
openssl:C 语言编写,加密相关的模块,在 tls 和 crypto 模块中都有使用。
uv:C 语言编写,采用非阻塞型的 I/O 操作,为 Node.js 提供了访问系统资源的能力。
uvwasi:C 语编写,实现 WASI 系统调用 API。
v8:C 语言编写,JavaScript 引擎。
zlib:用于快速压缩,Node.js 使用 zlib 创建同步、异步和数据流压缩、解压接口。
其中最重要的是 v8 和 uv 两个目录对应的模块。v8本身并没有异步运行的能力,而是借助浏览器的其他线程实现的,这也正是我们常说js是单线程的原因,因为其解析引擎只支持同步解析代码。但在 Node.js 中,异步实现主要依赖于 libuv,下面我们来重点分析 libuv 的实现原理。
什么是libuv
libuv 是一个用 C 编写的支持多平台的异步 I/O 库,主要解决 I/O 操作容易引起阻塞的问题。最开始是专门为 Node.js 使用而开发的,但后来也被 Luvit、Julia、pyuv 等其他模块使用。下图是 libuv 的结构图。
libuv有两种异步的实现方式,分别是上图左右两个被黄框选中的部分。
左边部分为网络 I/O 模块,在不同平台下有不同的实现机制,Linux 系统下通过 epoll 实现,OSX 和其他 BSD 系统采用 KQueue,SunOS 系统采用 Event ports,Windows 系统采用的是 IOCP。由于涉及操作系统底层 API,理解起来比较复杂,这里就不多介绍了。
右边部分包括文件 I/O 模块、DNS 模块和用户代码,通过线程池来实现异步操作。文件 I/O 与网络 I/O不同,libuv 没有依赖于系统底层的 API,而是在全局线程池中执行阻塞的文件 I/O 操作。
libuv中的事件轮询
下图是 libuv 官网给出的事件轮询工作流程图,我们结合代码来一起分析。
libuv 事件循环的核心代码是在 uv_run() 函数中实现的,下面是 Unix 系统下的部分核心代码。虽然是用 C 语言编写的,但和 JavaScript 一样都是高级语言,所以理解起来也不算太困难。最大的区别可能是星号和箭头,星号我们可以直接忽略。例如,函数参数中 uv_loop_t* loop 可以理解为 uv_loop_t 类型的变量 loop。箭头 “→” 可以理解为点号“.”,例如,loop→stop_flag 可以理解为 loop.stop_flag。
int uv_run(uv_loop_t* loop, uv_run_mode mode) { ... r = uv__loop_alive(loop); if (!r) uv__update_time(loop); while (r != 0 && loop - >stop_flag == 0) { uv__update_time(loop); uv__run_timers(loop); ran_pending = uv__run_pending(loop); uv__run_idle(loop); uv__run_prepare(loop);...uv__io_poll(loop, timeout); uv__run_check(loop); uv__run_closing_handles(loop);... }... }
uv__loop_alive
这个函数用于判断事件轮询是否要继续进行,如果 loop 对象中不存在活跃的任务则返回 0 并退出循环。
在 C 语言中这个 “任务” 有个专业的称呼,即“句柄”,可以理解为指向任务的变量。句柄又可以分为两类:request 和 handle,分别代表短生命周期句柄和长生命周期句柄。具体代码如下:
static int uv__loop_alive(const uv_loop_t * loop) { return uv__has_active_handles(loop) || uv__has_active_reqs(loop) || loop - >closing_handles != NULL; }
uv__update_time
为了减少与时间相关的系统调用次数,同构这个函数来缓存当前系统时间,精度很高,可以达到纳秒级别,但单位还是毫秒。
具体源码如下:
UV_UNUSED(static void uv__update_time(uv_loop_t * loop)) { loop - >time = uv__hrtime(UV_CLOCK_FAST) / 1000000; }
uv__run_timers
执行 setTimeout() 和 setInterval() 中到达时间阈值的回调函数。这个执行过程是通过 for 循环遍历实现的,从下面的代码中也可以看到,定时器回调是存储于一个最小堆结构的数据中的,当这个最小堆为空或者还未到达时间阈值时退出循环。
在执行定时器回调函数前先移除该定时器,如果设置了 repeat,需再次加到最小堆里,然后执行定时器回调。
具体代码如下:
void uv__run_timers(uv_loop_t * loop) { struct heap_node * heap_node; uv_timer_t * handle; for (;;) { heap_node = heap_min(timer_heap(loop)); if (heap_node == NULL) break; handle = container_of(heap_node, uv_timer_t, heap_node); if (handle - >timeout > loop - >time) break; uv_timer_stop(handle); uv_timer_again(handle); handle - >timer_cb(handle); } }
uv__run_pending
遍历所有存储在 pending_queue 中的 I/O 回调函数,当 pending_queue 为空时返回 0;否则在执行完pending_queue 中的回调函数后返回 1。
代码如下:
static int uv__run_pending(uv_loop_t * loop) { QUEUE * q; QUEUE pq; uv__io_t * w; if (QUEUE_EMPTY( & loop - >pending_queue)) return 0; QUEUE_MOVE( & loop - >pending_queue, &pq); while (!QUEUE_EMPTY( & pq)) { q = QUEUE_HEAD( & pq); QUEUE_REMOVE(q); QUEUE_INIT(q); w = QUEUE_DATA(q, uv__io_t, pending_queue); w - >cb(loop, w, POLLOUT); } return 1; }
uvrun_idle / uvrun_prepare / uv__run_check
这 3 个函数都是通过一个宏函数 UV_LOOP_WATCHER_DEFINE 进行定义的,宏函数可以理解为代码模板,或者说用来定义函数的函数。3 次调用宏函数并分别传入 name 参数值 prepare、check、idle,同时定义了 uvrun_idle、uvrun_prepare、uv__run_check 3 个函数。
所以说它们的执行逻辑是一致的,都是按照先进先出原则循环遍历并取出队列 loop->name##_handles 中的对象,然后执行对应的回调函数。
#define UV_LOOP_WATCHER_DEFINE(name, type) void uv__run_##name(uv_loop_t* loop) { uv_##name##_t* h; QUEUE queue; QUEUE* q; QUEUE_MOVE(&loop->name##_handles, &queue); while (!QUEUE_EMPTY(&queue)) { q = QUEUE_HEAD(&queue); h = QUEUE_DATA(q, uv_##name##_t, queue); QUEUE_REMOVE(q); QUEUE_INSERT_TAIL(&loop->name##_handles, q); h->name##_cb(h); } } UV_LOOP_WATCHER_DEFINE(prepare, PREPARE) UV_LOOP_WATCHER_DEFINE(check, CHECK) UV_LOOP_WATCHER_DEFINE(idle, IDLE)
uv__io_poll
uv__io_poll 主要是用来轮询 I/O 操作。具体实现根据操作系统的不同会有所区别,我们以 Linux 系统为例进行分析。
uv__io_poll 函数源码较多,核心为两段循环代码,部分代码如下:
void uv__io_poll(uv_loop_t * loop, int timeout) { while (!QUEUE_EMPTY( & loop - >watcher_queue)) { q = QUEUE_HEAD( & loop - >watcher_queue); QUEUE_REMOVE(q); QUEUE_INIT(q); w = QUEUE_DATA(q, uv__io_t, watcher_queue); e.events = w - >pevents; e.data.fd = w - >fd; if (w - >events == 0) op = EPOLL_CTL_ADD; else op = EPOLL_CTL_MOD; if (epoll_ctl(loop - >backend_fd, op, w - >fd, &e)) { if (errno != EEXIST) abort(); if (epoll_ctl(loop - >backend_fd, EPOLL_CTL_MOD, w - >fd, &e)) abort(); } w - >events = w - >pevents; } for (;;) { for (i = 0; i < nfds; i++) { pe = events + i; fd = pe - >data.fd; w = loop - >watchers[fd]; pe - >events &= w - >pevents | POLLERR | POLLHUP; if (pe - >events == POLLERR || pe - >events == POLLHUP) pe - >events |= w - >pevents & (POLLIN | POLLOUT | UV__POLLRDHUP | UV__POLLPRI); if (pe - >events != 0) { if (w == &loop - >signal_io_watcher) have_signals = 1; else w - >cb(loop, w, pe - >events); nevents++; } } if (have_signals != 0) loop - >signal_io_watcher.cb(loop, &loop - >signal_io_watcher, POLLIN); }... }
在 while 循环中,遍历观察者队列 watcher_queue,并把事件和文件描述符取出来赋值给事件对象 e,然后调用 epoll_ctl 函数来注册或修改 epoll 事件。
在 for 循环中,会先将 epoll 中等待的文件描述符取出赋值给 nfds,然后再遍历 nfds,执行回调函数。
uv__run_closing_handles
遍历等待关闭的队列,关闭 stream、tcp、udp 等 handle,然后调用 handle 对应的 close_cb。代码如下:
static void uv__run_closing_handles(uv_loop_t * loop) { uv_handle_t * p; uv_handle_t * q; p = loop - >closing_handles; loop - >closing_handles = NULL; while (p) { q = p - >next_closing; uv__finish_close(p); p = q; } }
process.nextTick 和 Promise
虽然 process.nextTick 和 Promise 都是异步 API,但并不属于事件轮询的一部分,它们都有各自的任务队列,在事件轮询的每个步骤完成后执行。所以当我们使用这两个异步 API 的时候要注意,如果在传入的回调函数中执行长任务或递归,则会导致事件轮询被阻塞,从而 “饿死”I/O 操作。
下面的代码就是通过递归调用 prcoess.nextTick 而导致 fs.readFile 的回调函数无法执行的例子。
fs.readFile('config.json', (err, data) = >{... }) const traverse = () = >{ process.nextTick(traverse) }
要解决这个问题,可以使用 setImmediate 来替代,因为 setImmediate 会在事件轮询中执行回调函数队列。process.nextTick 任务队列优先级比 Promise任务队列更高,具体的原因可以参看下面的代码:
function processTicksAndRejections() { let tock; do { while (tock = queue.shift()) { const asyncId = tock[async_id_symbol]; emitBefore(asyncId, tock[trigger_async_id_symbol], tock); try { const callback = tock.callback; if (tock.args === undefined) { callback(); } else { const args = tock.args; switch (args.length) { case 1: callback(args[0]); break; case 2: callback(args[0], args[1]); break; case 3: callback(args[0], args[1], args[2]); break; case 4: callback(args[0], args[1], args[2], args[3]); break; default: callback(...args); } } } finally { if (destroyHooksExist()) emitDestroy(asyncId); } emitAfter(asyncId); } runMicrotasks(); } while (! queue . isEmpty () || processPromiseRejections()); setHasTickScheduled(false); setHasRejectionToWarn(false); }
从 processTicksAndRejections() 函数中可以看出,首先通过 while 循环取出 queue 队列的回调函数,而这个 queue 队列中的回调函数就是通过 process.nextTick 来添加的。当 while 循环结束后才调用runMicrotasks() 函数执行 Promise 的回调函数。
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