nodejs如何利用libuv实现事件循环和异步
本文是根据之前在公司内部做的分享整理而成。是早期对nodejs的一个认识。源码版本10.x。
- nodejs是什么？
- libuv的工作原理
- nodejs的工作原理
- nodejs如何使用libuv实现事件循环和异步
1 nodejs是什么？
Nodejs本质上是对js功能的拓展。提供了网络、文件、dns解析、进程线程等功能。
1.1 Nodejs是如何拓展js功能的？
利用v8提供的接口。
1.2 如何在v8新建一个自定义的功能？
// c++里定义
Handle Test = FunctionTemplate::New(cb);
global->Set(String::New(“Test"), Test);
// js里使用
var test = new Test();
1.3 nodejs是如何实现拓展的
但nodejs不是给每个功能拓展一个对象，而是拓展一个process对象，再通过process.binding拓展js功能。Nodejs定义了一个js对象process，映射到一个c++对象process，底层维护了一个c++模块的链表，js通过调用js层的process.binding，访问到c++的process对象，从而访问c++模块(类似访问js的Object、Date等)。
2 libuv的工作原理
2.1 Libuv是什么？为什么nodejs需要他？
libuv是一个跨平台异步IO库。因为Nodejs是单线程的，作为服务器，他涉及到IO,而IO是会阻塞的，从而影响性能。所以Nodejs把IO操作交给libuv，保证主线程可以继续处理其他事情。Libuv做了什么？Libuv主要是，利用系统提供的事件驱动模块解决网络异步IO，利用线程池解决文件IO。另外还实现了定时器，对进程，线程等使用进行了封装。
1 新建一个uv_loop_t* loop。loop中保存了各个阶段对应的数据结构。
2 执行uv_run函数进入“死”循环。
3 用户（nodejs）操作loop里的结构，注册事件和回调。
4 libuv在每一轮循环里处理各个阶段。
2.2 libuv的各个阶段（phase）
1 定时器(setTimeout)
2 pending callback
3 idle(自定义)
4 prepare(自定义)
5 poll i/o(网络和文件IO)
6 check(setImmediate)
7 close callback(关闭一个handle)
2.3 libuv的实现
最小堆（定时器）
链表（check、idle等）
线程池（文件io）
操作系统提供的事件驱动模块（网络io）
3 Nodejs的启动流程
1 注册内置c++模块（通过process.binding函数使用内置c++模块）。
2 新建process的c++对象，设置一系列属性（binding），然后挂载到全局。
3 执行bootstrap_node.js，初始化和挂载nextTick，setTimeout等函数，然后加载用户js，编译执行。
4 调用libuv开始事件循环。
3.1 注册内置c++模块
1 每个c++模块由一个node_module结构体管理。
2 用链表的方式把各个模块的node_module连接起来。
3 运行时，js通过process.binding函数从链表中找到对应的模块，从而使用c++模块功能。
3.2 process对象的生成和作用
1 新建一个c++的process对象
// 利用v8新建一个函数
auto process_template = FunctionTemplate::New(isolate());
// 设置函数名
process_template->SetClassName(FIXED_ONE_BYTE_STRING(isolate(), "process"));
// 利用函数new一个对象 auto process_object = process_template->GetFunction()->NewInstance(context()).ToLocalChecked();
// 设置env的一个属性，类型是Object，val是process_object
set_process_object(process_object);
2 nodejs如何访问global？
通过给global增加一个global属性
Local3 nodejs如果设置process对象？
编译node_bootstrap.js成c++代码，执行时传入c++的process对象，执行global.process = process; 从js层面来看，是多了一个全局变量process
4 process的Binding函数
process.Binding加载c++模块。实现js使用c++模块功能。const { TCP } = process.binding(‘tcp_wrap’); const tcp = new TCP();tcp.listen();js里通过process.binding加载一个c++模块的时候，这段js在编译后执行，首先访问js层的process对象，v8知道js的process对象对应是c++的process对象，再通过底层的Binding，就可以使用c++模块的功能了。
3.3 执行bootstrap_node.js
1 挂载全局变量setTimeout，Buffer等，给process对象挂载nexTick函数等初始化工作。
2 执行用户js
3.4 调用libuv开始事件循环。
4 nodejs如何利用libuv实现异步和事件循环？
如何生成任务给事件循环系统消费？
1 setTimeout
2 setImmediate
3 文件io
4 网络io
4.1 setTimeout的实现
1 用户调用setTimeout，设置时间是s秒
2 找到s对应的链表L。
3 如果L不存在则新建一个，并在libuv最小堆里新增一个超时节点。
4 往链表L头部插入一个Timeout节点。返回。（最早超时在链表末尾）
5 uv_run执行uv__run_timers判断是否有超时节点。
6 从后往前遍历链表L，如果当前节点没有超时则全部没有超时，设置新的超时时间，否则执行超时回调。
4.2 setImmediate实现
1 nodejs启动的时候注册了check阶段的一个c++层回调是CheckImmediate，该函数再执行js回调processImmediate
2 用户调用setImmediate，生成一个节点插到双向链表。返回。
3 uv_run在check阶段。执行回调。setImmediate和setTimeout的关系这两个其实没什么关系，对应的阶段也不一样。
4.3 文件io
为啥用线程池实现文件操作的异步？
因为文件的异步操作在各操作系统中兼容性不好。libuv线程池默认打开4个，最多打开128个线程。所有线程共享一个任务队列，当有任务的时候，添加到任务队列，线程的工作函数在死循环里不断处理队列里的任务。Libuv初始化的时候，注册了一个异步的io观察者A，用于子线程和主线程间通信的。io观察者A设置了一个管道文件描述符和回调。子线程完成任务后设置该任务的标记位，然后通过管道通知主线程，主线程在uv_run的poll io阶段会执行观察者A的回调，观察者的回调会判断每个异步任务的状态。然后执行用户的回调。
文件操作的过程
1 打开一个文件，新建一个c++ FSReqWrap对象。设置用户回调。调用FSReqWrap对象的Open，接着调用libuv层uv_fs_open。uv_fs_open。Libuv生成一个任务放到线程池的任务队列，返回nodejs。Nodejs可以继续做其他事情。
2 线程池处理该任务，线程会阻塞直到任务完成。比如读写文件，dns查询，然后设置任务的完成标记，可以通过管道写端通知主线程。主线程执行c++层回调，再执行js层回调。
4.4 网络io
网络io的实现方案。利用操作系统提供的事件驱动模块。
var http = require('http');
http.createServer(function (request, response) { response.end('Hello World\n'); }).listen(9297);
