10 Node.js 的 c++ 扩展 - 《nodejs 基础教程》

Node 的 C++ 扩展功能是依赖于 V8 来实现的，但是在 Node 每次做大的版本升级的时候，都会有可能对应升级 V8 的版本，相应的扩展 API 的定义也很有可能发生变化，所以下面要重点介绍 nan 这个第三方包的，它提供了一系列的宏定义和包装函数，来对这些不同版本的扩展 API 进行封装。

为了能够编译我们的 C++ 扩展，我们需要做一些准备工作，首先需要全局安装这个包：。不过此包还依赖于 python 2.7（必须得用2.7版本，安装3.0是不管用的）。同时需要安装 C++ 编译工具，在 linux 下需要使用 GCC，Mac 下需要使用，Windows 下需要安装 Visual Studio (版本要求是2015，低于此版本的不可以，高于此版本的作者本身没有做过测试)，大家可以选择安装社区版，因为专业版和旗舰版都是收费的，如果想进一步减小安装后占用磁盘的体积可以安装。按照官方说明在windows下安装完 Visual Stuido 和 node-gyp 后，还需要使用命令 npm config set msvs_version 2015 来指定 node-gyp 使用的 VS 版本。

为了演示如何编译一个 C++ 扩展，我们从亘古不变的 hello world 程序入手，这个程序取自 Node C++扩展的官方文档。我们的目的是在 C++ 扩展中实现如下代码：

代码 10.2.1

这看上去有些拿大炮打蚊子的味道，这段代码太简单了，而我们竟然要用 C++ 将其实现一番，是的这一节关注的并不是代码本身，还是如何使用工具进行编译，所以我们选择了最简单的代码。首先我们创建 hello.cc 文件：

// hello.cc
#include <node.h>
namespace demo {
using v8::FunctionCallbackInfo;
using v8::Isolate;
using v8::Local;
using v8::Object;
using v8::String;
using v8::Value;
void Method(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
  Isolate* isolate = args.GetIsolate();
  args.GetReturnValue().Set(String::NewFromUtf8(isolate, "world"));
}
void init(Local<Object> exports) {
  NODE_SET_METHOD(exports, "hello", Method);
}
NODE_MODULE(addon, init)
}  // namespace demo

代码 10.2.2 hello.cc

然后创建 binding.gyp ，注意这里面的 target_name 属性要和 NODE_MODULE 宏定义中的第一个参数保持相同。

{
  "targets": [
    {
      "target_name": "addon",
      "sources": [ "hello.cc" ]
    }
  ]
}

配置文件 10.2.1

（Generate Your Project）是一种跨平台的项目构建工具，是谷歌员工在开发 chromium 项目时衍生出来的工具。Node.js 扩展说白了也是基于 V8 的 API 基础上的，所以它也采用 gyp 技术。

编译成功后，我们就可以在 js 代码中引用这个扩展库了：

代码 10.2.3 hello.js

之前讲过本章的重点是使用 nan 这个包来实现扩展编写，所以我们就先拿这个 hello world 下手。首先是安装 nan 包：npm install nan --save。然后编写 hello.cc：

// hello.cc
#include <nan.h>
using namespace v8;
NAN_METHOD(Method) {
  info.GetReturnValue().Set(Nan::New<String>("world").ToLocalChecked());
}
NAN_MODULE_INIT (Init) {
  Nan::Export(target, "hello", Method);
}
NODE_MODULE(hello_nan, Init)

代码 10.2.4 hello.cc 的 nan 版

可以看到和代码10.2.2相比代码10.2.4要简洁不少，这里 NAN_METHOD(Method) 经过宏定义解析为 void Method(const Nan::FunctionCallbackInfo<v8::Value>& info)，所以你看到在函数 Method 内部会有一个 info 对象，能够在编译的时候被正确识别。同时宏定义 NAN_MODULE_INIT(Init) 会被转化为 void Init(v8::Local<v8::Object> target) 所以你会在函数内部看到一个 target 对象。同时代码 10.2.2 第13行中 Isolate* isolate = args.GetIsolate(); 这个代码在函数 NaN::New<String> 中被封装在其内部，所以在代码 10.2.4 中没有看到这段代码。

C++ addone 最精髓的地方，就是将一个 JavaScript 类映射为一个 C++ 类，这样就会产生一个有趣的效果，你通过 new 构建的 js 对象，它的成员函数都被映射成 C++ 类中的成员函数。

下面举的例子可能可能看上去很傻，因为我们又写对 a+b 求值的函数了，但是这种很天真的代码最好理解不过了。注意，这个例子改写自项目中的 object_wrap 小节。首先是 C++ 头文件定义：

#ifndef MY_CALC_H
#define MY_CALC_H
#include <nan.h>
class MyCalc : public Nan::ObjectWrap {
public:
    static void Init(v8::Handle<v8::Object> module);
private:
    explicit MyCalc(double value=0);
    ~MyCalc();
    static NAN_METHOD(New);
    static NAN_METHOD(PlusOne);
    static NAN_METHOD(GetValue);
    static Nan::Persistent<v8::Function> constructor;
    double _value;
};
#endif

代码 10.3.1 MyCalc.h

首先注意的一点是，类要继承自 Nan::ObjectWrap ，按照惯例这个类中还要有一个 Persistent 类型的句柄用来承载 js 类的构造函数，MyCalc 类中唯一对外公开的函数就是 Init，其参数 module 正是对应的是 Node 中的 module 对象。

代码 10.3.2 MyCalc.cc

同时留意到在函数 GetValue 和 PlusOne 中，MyCalc* obj = ObjectWrap::Unwrap<MyCalc>(info.Holder());，这一句将 js 对象转化为 C++对象，然后操作 C++ 对象的属性。相反在函数 New 中 obj->Wrap(info.This()); 是一个相反的过程，将 C++ 对象转化为 js 对象。

前面几小节介绍了 Nan 的基本使用，可是即使使用了 C++ addon 技术，默认情况下，你所写的代码依然运行在 V8 主线程上，所以说在面对高并发的情况下，如果你的 C++ 代码是计算密集型的，它依然会抢占 V8 主线程的 CPU 时间，最严重的后果当然就是事件轮询的 CPU 时间被抢占导致整个 Node 处理效率下降。所以说釜底抽薪之术还是使用线程。

Nan 中提供了 AsyncWorker 类，它内部封装了 libuv 中的 uv_queue_work，可以在将计算代码直接丢到 libuv 的线程做处理，处理完成之后再通知 V8 主线程。

下面是一个简单的小例子：

#include <string>
#include <sstream>
#ifdef WINDOWS_SPECIFIC_DEFINE
#include <windows.h>
typedef DWORD ThreadId;
#else
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
typedef unsigned int ThreadId;
#endif
using v8::Function;
using v8::FunctionTemplate;
using v8::Local;
using v8::Value;
using v8::String;
using Nan::AsyncQueueWorker;
using Nan::AsyncWorker;
using Nan::Callback;
using Nan::HandleScope;
using Nan::New;
using Nan::Null;
using Nan::ThrowError;
using Nan::Set;
using Nan::GetFunction;
NAN_METHOD(doAsyncWork);
static ThreadId __getThreadId() {
    ThreadId nThreadID;
#ifdef WINDOWS_SPECIFIC_DEFINE
    nThreadID = GetCurrentProcessId();
    nThreadID = (nThreadID << 16) + GetCurrentThreadId();
#else
    nThreadID = getpid();
    nThreadID = (nThreadID << 16) + pthread_self();
#endif
    return nThreadID;
}
static void __tsleep(unsigned int millisecond) {
#ifdef WINDOWS_SPECIFIC_DEFINE
    ::Sleep(millisecond);
#else
    usleep(millisecond*1000);
#endif
}
class ThreadWoker : public AsyncWorker {
    private:
        std::string str;
    public:
        ThreadWoker(Callback *callback,std::string str)
            : AsyncWorker(callback), str(str) {}
        ~ThreadWoker() {}
        void Execute() {
            ThreadId tid = __getThreadId();
            printf("[%s]: Thread in uv_worker: %d\n",__FUNCTION__,tid);
            __tsleep(1000);
            printf("sleep 1 seconds in uv_work\n");
            std::stringstream ss;
            ss << " worker function: ";
            ss << __FUNCTION__;
            ss << " worker thread id ";
            ss << tid;
            str += ss.str();
        }
        void HandleOKCallback () {
            Local<Value> argv[] = {
                Null(),
                Nan::New<String>("the result:"+str).ToLocalChecked()
            };
            callback->Call(2, argv);
        };
};
NAN_METHOD(doAsyncWork) {
    printf("[%s]: Thread id in V8: %d\n",__FUNCTION__,__getThreadId());
    if(info.Length() < 2) { 
        ThrowError("Wrong number of arguments"); 
        return info.GetReturnValue().Set(Nan::Undefined());
    }
    if (!info[0]->IsString() || !info[1]->IsFunction()) {
        ThrowError("Wrong number of arguments");
        return info.GetReturnValue().Set(Nan::Undefined());
    }
    //
    Callback *callback = new Callback(info[1].As<Function>());
    Nan::Utf8String param1(info[0]);
    std::string str = std::string(*param1); 
    AsyncQueueWorker(new ThreadWoker(callback, str));
    info.GetReturnValue().Set(Nan::Undefined());
}
NAN_MODULE_INIT(InitAll) {
  Set(target, New<String>("doAsyncWork").ToLocalChecked(),
    GetFunction(New<FunctionTemplate>(doAsyncWork)).ToLocalChecked());
}
NODE_MODULE(binding, InitAll)

代码 10.4.1 async_simple.cc

为了简单起见，将所有代码写到一个 c++ 文件中，注意到在代码 10.4.1中使用了自定义宏定义 WINDOWS_SPECIFIC_DEFINE，在 binding.gyp 中是支持添加自定义宏定义和编译参数的，下面是这个项目中用到的 binding.gyp 文件：

{
  'targets': [
    {
      'target_name': 'async-simple',
      'defines': [
        'DEFINE_FOO',
        'DEFINE_A_VALUE=value',
      ],
      "include_dirs" : [
            "<!(node -e \"require('nan')\")"
      ],
      'conditions' : [
            ['OS=="linux"', {
              'defines': [
                'LINUX_DEFINE',
              ],
              'libraries':[
                  '-lpthread'
              ],
              'sources': [ 'async_simple.cc' ]
            }],
            ['OS=="win"', {
              'defines': [
                'WINDOWS_SPECIFIC_DEFINE',
              ],
              'sources': [ 'async_simple.cc' ]
            }]
        ]
    }
  ]
}

代码 10.4.2 binding.gyp

binding.gyp 中的最外层的 defines 变量是全局环境变量，conditions 中可以放置各种条件判断，OS=="linux" 代表当前的操作系统是 linux，其下的下定义的宏定义，只有在 linux 系统下才起作用，所以在代码 10.4.1 中的环境变量 WINDOWS_SPECIFIC_DEFINE 只用在 windows 上才起作用，我们使用这个宏定义来做条件编译，以保证能够正确使用线程函数（其实libuv 中封装了各种跨平台的线程函数，这里不做多讨论）。

继续回到代码 10.4.1，类 ThreadWorker 中，函数 Execute 用来执行耗时函数，它将在 libuv 中的线程池中执行，函数 HandleOKCallback 在函数 Execute 执行完成后被调用，用来将处理结果通知 libuv 的事件轮询，它在 V8 主线程中执行。

最终给出测试用的 js 代码，又回到了我们熟悉的回调函数模式：

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