基于 Node.js 的轻量级云函数功能实现

导语

在万物皆可云的时代，你的应用甚至不需要服务器。云函数功能在各大云服务中均有提供，那么，如何用「无所不能」的 Node.js 实现呢？

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一、什么是云函数？

函数是诞生于云服务的一个新名词，顾名思义，云函数就是在云端（即服务端）执行的函数。各个云函数相互独立，简单且目的单一，执行环境相互隔离。使用云函数时，开发者只需要关注业务代码本身，其它的诸如环境变量、计算资源等，均由云服务提供。

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二、为什么需要云函数？

程序员说不想买服务器，于是便有了云服务； 程序员又说连 server 都不想写了，于是便有了云函数。

Serverless 架构

通常我们的应用，都会有一个后台程序，它负责处理各种请求和业务逻辑，一般都需要跟网络、数据库等 I/O 打交道。而所谓的无服务器架构，就是把除了业务代码外的所有事情，都交给执行环境处理，开发者不需要知道 server 怎么跑起来，数据库的 api 怎么调用——一切交给外部，在“温室”里写代码即可。

FaaS

而云函数，正是 serverless 架构得以实现的途径。我们的应用，将是一个个独立的函数组成，每一个函数里，是一个小粒度的业务逻辑单元。没有服务器，没有 server 程序，“函数即服务”（Functions as a Service）。

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三、如何实现？

由于本实现是应用在一个 CLI 工具里面的，函数声明在开发者的项目文件里，因而大致过程如下：

1、函数声明与存储

• 声明

我们的目标是让云函数的声明和一般的 js 函数没什么两样：

module.exports = async function (ctx) {	
    return 'hahha'	
      }

由于云函数的执行通常伴随着接口的调用，所以应该要能支持声明 http 方法：

module.exports = {	
  method: 'POST',	
    handler: async function (ctx) {	
        return 'hahha'	
    }	
};

• 存储

由于 method 等配置，因此编译的时候，需要把上述声明文件 require 进来，此时，handler 字段是一个 Function 类型的对象。可以调用其 toString 方法，得到字符串类型的函数体：

const f = require('./func.js');	
const method = f.method;	
const body = f.handler.toString();	
// async function (ctx) {	
//  return 'hahha'	
// }

有了字符串的函数体，存储就很简单了，直接存在数据库 string 类型的字段里即可。

2、函数执行

• URL

如果用于前端调用，每个云函数需要有一个对应的 url，以上述声明文件的文件名为云函数的唯一名称的话，可以简单将 url 设计为：

/f/:funcname

• 构造独立作用域（重点）

在 js 世界里，执行一个字符串类型的函数体，有以下这么一些途径：

1.eval 函数

2. new Function

3.vm 模块

那么要选哪一种呢？让我们回顾云函数的特点：各自独立，互不影响，运行在云端。关键是将每个云函数放在一个独立的作用域执行，并且没有访问执行环境的权限，因此，最优选择是 nodejs 的 vm 模块。关于该模块的使用，可参考官方文档^[1]。至此，云函数的执行可以分为三步：

1. 从数据库获取函数 

2. 构造context

// ctx 为 koa 的上下文对象 	
const sandbox = {	
 ctx: {	
   params: ctx.params,	
   query: ctx.query,	
   body: ctx.request.body,	
   userid: ctx.userid,	
 },	
 promise: null,	
 console: console	
}	
vm.createContext(sandbox);

3. 执行函数得到结果

const code = `func = ${funcBody}; promise = func(ctx);`;	
vm.runInContext(code, sandbox);	
const data = await sandbox.promise;

NPM 社区的 vm2 模块针对 vm 模块的一些安全缺陷做了改进，也可用此模块，思路大抵相同。

3、引用

虽然说原则上云函数应当互相独立，各不相欠，但是为了提高灵活性，我们还是决定支持函数间的相互引用，即可以在某云函数中调用另外一个云函数。

• 声明

很简单，加个函数名称的数组字段就好：

module.exports = {	
  method: 'POST',	
  use: ['func1', 'func2'],	
  handler: async function (ctx) {	
    return 'hahha'	
  }	
};

• 注入

也很简单，根据依赖链把函数都找出来，全部挂载在 ctx 下就好，深度优先或者广度优先都可以。

if (func.use) {	
    const funcs = {};	
    const fnames = func.use;	
    for (let i = 0; i < fnames.length; i++) {	
        const fname = fnames[i];	
        await getUsedFuncs(ctx, fname, funcs);	
    }	

	
    const funcCode = `{	
        ${Object.keys(funcs).map(fname => `${fname}:${funcs[fname]}`).join('\n')}	
    }`;	

	
    code = `ctx.methods=${funcCode};${code}`;	
} else {	
    code = `ctx.methods={};${code}`;	
}	

	
// 获取所有依赖的函数	
const getUsedFuncs = async (ctx, funcName, methods) => {	
    const func = getFunc(funcName);	
    methods[funcName] = func.body;	
    if (func.use) {	
        const uses = func.use.split(',');	
        for (let i = 0; i < uses.length; i++) {	
            await getUsedFuncs(ctx,uses[i], methods);	
        }	
    }	
}

• 依赖循环

既然可以相互依赖，那必然会可能出现 a→b→c→a 这种循环的依赖情况，所以需要在开发者提交云函数的时候，检测依赖循环。检测的思路也很简单，在遍历依赖链的过程中，每一个单独的链条都记录下来，如果发现当前遍历到的函数在链条里出现过，则发生循环。

const funcMap = {};	
flist.forEach((f) => {	
    funcMap[f.name] = f;	
});	

	
const chain = [];	
flist.forEach((f) => {	
    getUseChain(f, chain);	
});	

	
function getUseChain(f, chain) {	
    if (chain.includes(f.name)) {	
        throw new Error(`函数发生循环依赖：${[...chain, f.name].join('→')}`);	
    } else {	
        f.use.forEach((fname) => {	
            getUseChain(funcMap[fname], [...chain, f.name]);	
        });	
    }	
}

4、性能

上述方案中，每次云函数执行的时候，都需要进行一下几步：

1. 获取函数体

2. 编译代码

3. 构造作用域和独立环境

4. 执行

步骤 3，因为每次执行的参数都不一样，也会有不同请求并发执行同一个函数的情况，所以作用域 ctx 无法复用；

步骤 4 是必须的，那么可优化点就剩下了 1 和 2。

• 代码缓存

vm 模块提供了代码编译和执行分开处理的接口，因此每次获取到函数体字符串之后，先编译成 Script 对象：

// ...get code	
const script = new vm.Script(code);

执行的时候可以直接传入编译好的 Script 对象：

// ...get sandbox	
vm.createContext(sandbox);	
script.runInContext(sandbox);	
const data = await sandbox.promise;

• 函数体缓存

简单的缓存，不需要很复杂的更新机制，定一个时间阈值，超过后拉取新的函数体并编译得到 Script 对象，然后缓存起来即可：

const cacheFuncs = {};	
// ...get script	
cacheFuncs[funcName] = {	
    updateTime: Date.now(),	
    script,	
};	

	
// cache time: 60 sec	
const cacheFunc = cacheFuncs[cacheKey];	

	
if (cacheFunc && (Date.now() - cacheFunc.updateTime) <= 60000) {	
    const sandbox = { /*...*/ }	
    vm.createContext(sandbox);	
    cacheFunc.script.runInContext(sandbox);	
    const data = await saandbox.promise;	
    return data;	
} else {	
    // renew cache	
}

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四、参考资料

相关文章

• 什么是 Serverless（无服务器）架构？^[2]

业界的 Serverless

• 腾讯云 - 无服务云函数

• 阿里云 - 函数计算

• AWS - Lambda

• Azure - Azure Functions

References

[1] 官方文档: https://nodejs.org/dist/latest-v12.x/docs/api/vm.html

[2] 什么是 Serverless（无服务器）架构？: https://jimmysong.io/posts/what-is-serverless/

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