Node.js之异步那些事

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nodejs

Node.js® is a JavaScript runtime built on Chrome’s V8 JavaScript engine. Node.js uses an event-driven, non-blocking I/O model that makes it lightweight and efficient.

Node.js官网上的介绍，其中事件驱动非阻塞I/O模型是被大家所津津乐道的，但是有多少人真正了解其究竟呢？有人可能会想到libuv，没错，libuv确实是其幕后英雄。那么问题又来了，到底是怎么用libuv实现的呢？下面我们来一探究竟。

libuv

libuv当初主要就是为Node.js开发的，提供跨平台的事件驱动异步I/O能力，当然现在肯定不仅限于Node.js使用。我们先来看一下libuv的Design overview。

architecture

从架构图上看，libuv是对多个平台上的事件驱动异步I/O库进行了封装，如Linux下的epoll、FreeBSD下的kqueue、Solaris下的event ports、Windows下的IOCP。

loop_iteration

上图所描述的事件循环是libuv中最重要的概念，其中的Poll for I/O就是事件驱动异步I/O能力的核心。到这里我们有必要先了解一些基础知识，Linux IO模式及 select、poll、epoll详解，否则后面的东西就不是特别好理解了。

正题

经过前面的学习，应该对libuv有了一个整体的印象，总结一下， libuv其实就是把各种handle和io_watcher放到事件循环里，然后每一次循环都去检查一下是否有他们关心的事件需要处理，有则调用相应的callback，没有则继续循环。要想弄清楚Node.js之异步那些事，我们需要关心的是，Node.js如何运行事件循环，何时把handle和io_watcher放入事件循环，以及如何调用相应的callback。

开始之前，本次分析的代码版本为Node.js v0.12.6，Linux平台。

Run

node.cc中Start方法运行事件循环，精华部分如下。唯一有些特别的地方就是，在一个while循环中包了两个uv_run，模式分别是UV_RUN_ONCE和UV_RUN_NOWAIT，其原因在中间的两行注释中已经说得很明白了。

...
    bool more;
    do {
      more = uv_run(env->event_loop(), UV_RUN_ONCE);
      if (more == false) {
        EmitBeforeExit(env);

        // Emit `beforeExit` if the loop became alive either after emitting
        // event, or after running some callbacks.
        more = uv_loop_alive(env->event_loop());
        if (uv_run(env->event_loop(), UV_RUN_NOWAIT) != 0)
          more = true;
      }
    } while (more == true);
...

然后我们可以看看core.c中uv_run方法的代码，跟上面事件循环的流程图是可以一一对应的。

Data Structure

继续看代码之前，有必要先了解一下重要的数据结构和相互的关系，以便更好的理解。

Data Structure

io_watcher

接着我之前文章Node.js之HelloWorld背后的大坑的思路，还拿Hello World举例子，跟libuv有关的代码都在tcp_warp.cc里面了。

  • TCPWrap::New

New

stream.c中uv__stream_init方法有如下代码，将io_watcher的cb设置为uv__stream_io，fd设置为-1，这里只是在stream层面做的初始化设置，后面到tcp层面还会有相应的改变。

uv__io_init(&stream->io_watcher, uv__stream_io, -1);
  • TCPWrap::Bind

Bind

tcp.c的maybe_new_socket方法中，uv__socket方法生成了新的fd，uv__stream_open方法将其设置到io_watcher的fd。

  • TCPWrap::Listen

Listen

tcp.c的uv_tcp_listen方法中有如下代码，将io_watcher的cb设置为uv__server_io，uv__server_io里面会调用connection_cb，connection_cb已经被设置为cb，而这个cb正是tcp_wrap.cc中的TCPWrap::OnConnection方法。

...
  tcp->connection_cb = cb;

  /* Start listening for connections. */
  tcp->io_watcher.cb = uv__server_io;
  uv__io_start(tcp->loop, &tcp->io_watcher, UV__POLLIN);
...

core.c中uv__io_start方法有如下代码，利用void* watcher_queue[2]变量将io_watcher加入到uv_loop_t的队列中去，具体操作详见queue.h。将uv_loop_t的uv__io_t** watchers当做数组使用，fd为下标，io_watcher为对应的值。

...

  if (QUEUE_EMPTY(&w->watcher_queue))
    QUEUE_INSERT_TAIL(&loop->watcher_queue, &w->watcher_queue);

  if (loop->watchers[w->fd] == NULL) {
    loop->watchers[w->fd] = w;
    loop->nfds++;
  }
...

uv__io_poll

linux-core.c中的uv__io_poll方法，一行一行的读就可以了，前面的铺垫已经做得很充分了，只要读懂谜底便可揭晓。

未完

  • 接下来我们来说说process.nextTick(callback)的事，在node.js中定义如下，把callback放到了nextTickQueue队列中，那么Node.js是在什么时候消费这个队列的呢？
function nextTick(callback) {
  // on the way out, don't bother. it won't get fired anyway.
  if (process._exiting)
    return;

  var obj = {
    callback: callback,
    domain: process.domain || null
  };

  nextTickQueue.push(obj);
  tickInfo[kLength]++;
}
  • tcp_wrap.cc中TCPWrap::OnConnection方法有如下代码，MakeCallback方法的出处如下图。
tcp_wrap->MakeCallback(env->onconnection_string(), ARRAY_SIZE(argv), argv);

MakeCallback

  • async-wrap.cc中MakeCallback方法有如下代码。
env()->tick_callback_function()->Call(process, 0, NULL);
  • node.cc中SetupNextTick方法有如下代码，对tick_callback_function()进行了设定。
env->set_tick_callback_function(args[1].As<Function>());
  • node.cc中SetupProcessObject方法有如下代码，SetupNextTick被设定为process中的_setupNextTick方法。
NODE_SET_METHOD(process, "_setupNextTick", SetupNextTick);
  • node.js中startup.processNextTick方法有如下代码。
process._setupNextTick(tickInfo, _tickCallback, _runMicrotasks);
  • node.js中_tickCallback方法代码如下，消费nextTickQueue队列中的callback方法。
function _tickCallback() {
  var callback, threw, tock;

  scheduleMicrotasks();

  while (tickInfo[kIndex] < tickInfo[kLength]) {
    tock = nextTickQueue[tickInfo[kIndex]++];
    callback = tock.callback;
    threw = true;
    try {
      callback();
      threw = false;
    } finally {
      if (threw)
        tickDone();
    }
    if (1e4 < tickInfo[kIndex])
      tickDone();
  }

  tickDone();
}

省略去中间步骤，实际上是产生了如下的调用关系。

TCPWrap::OnConnection()
↓↓↓
_tickCallback()

总结

简单说，整个过程是这样的，事件循环中有相应I/O事件发生的时候，libuv调用Node.js C++部分的回调，C++部分调用JavaScript部分的回调，顺便调用nextTick设定的回调。

还是认真读代码吧，以上写的仅供参考。

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