什么是libuv,浅析libuv中的事件轮询(Node核心依赖)
本篇文章带大家了解一下 Node 的核心依赖 libuv,介绍一下什么是libuv,libuv中的事件轮询,希望对大家有所帮助!

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。

1.png

  • 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。

2.png

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。

3.png

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。

总结

Node.js 的核心依赖 libuv的结构可以分两部分,一部分是网络 I/O,底层实现会根据不同操作系统依赖不同的系统 API,另一部分是文件 I/O、DNS、用户代码,这一部分采用线程池来处理。

libuv 处理异步操作的核心机制是事件轮询,事件轮询分成若干步骤,大致操作是遍历并执行队列中的回调函数。

最后提到处理异步的 API process.nextTick 和 Promise 不属于事件轮询,使用不当则会导致事件轮询阻塞,其中一种解决方式就是使用 setImmediate 来替代。

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