什麼是libuv，淺析libuv中的事件輪詢（Node核心依賴）
提到 ，相信大部分前端工程師都會想到基於它來開發伺服器端，只需要掌握 JavaScript 一門語言就可以成為全棧工程師，但其實 Node.js 的意義並不僅於此。
很多高階語言，執行許可權都可以觸及作業系統，而執行在瀏覽器端的 JavaScript 則例外，瀏覽器為其建立的沙箱環境，把前端工程師封閉在一個程式設計世界的象牙塔裡。不過 Node.js 的出現則彌補了這個缺憾，前端工程師也可以觸達計算機世界的底層。
所以 對於前端工程師的意義不僅在於提供了全棧開發能力，更重要的是為前端工程師開啟了一扇通向計算機底層世界的大門。本文通過分析 Node.js 的實現原理來開啟這扇大門。
Node.js原始碼結構
Node.js 原始碼倉庫的 /deps 目錄下有十幾個依賴，其中既有 C 語言編寫的模組（如 libuv、V8）也有JavaScript 語言編寫的模組（如 acorn、acorn-plugins），如下圖所示。
- acorn：用 JavaScript 編寫的輕量級 JavaScript 解析器。
- acorn-plugins：acorn 的擴充套件模組，讓 acorn 支援 ES6 特性解析，比如類宣告。
- brotli：C 語言編寫的 Brotli 壓縮演演算法。
- cares：應該寫為 「c-ares」，C 語言編寫的用來處理非同步 DNS 請求。
- histogram：C 語言編寫，實現柱狀圖生成功能。
- icu-small：C 語言編寫，為 Node.js 客製化的 ICU（International Components for Unicode）庫，包括一些用來操作 Unicode 的函數。
- llhttp：C 語言編寫，輕量級的 http 解析器。
- nghttp2/nghttp3/ngtcp2：處理 HTTP/2、HTTP/3、TCP/2 協定。
- node-inspect：讓 Node.js 程式支援 CLI debug 偵錯模式。
- npm：JavaScript 編寫的 Node.js 模組管理器。
- openssl：C 語言編寫，加密相關的模組，在 tls 和 crypto 模組中都有使用。
- uv：C 語言編寫，採用非阻塞型的 I/O 操作，為 Node.js 提供了存取系統資源的能力。
- uvwasi：C 語編寫，實現 WASI 系統呼叫 API。
- v8：C 語言編寫，JavaScript 引擎。
- zlib：用於快速壓縮，Node.js 使用 zlib 建立同步、非同步和資料流壓縮、解壓介面。
其中最重要的是 v8 和 uv 兩個目錄對應的模組。v8本身並沒有非同步執行的能力，而是藉助瀏覽器的其他執行緒實現的，這也正是我們常說js是單執行緒的原因，因為其解析引擎只支援同步解析程式碼。 但在 Node.js 中，非同步實現主要依賴於 libuv，下面我們來重點分析 libuv 的實現原理。
什麼是libuv
libuv 是一個用 C 編寫的支援多平臺的非同步 I/O 庫，主要解決 I/O 操作容易引起阻塞的問題。 最開始是專門為 Node.js 使用而開發的，但後來也被 Luvit、Julia、pyuv 等其他模組使用。下圖是 libuv 的結構圖。
libuv有兩種非同步的實現方式，分別是上圖左右兩個被黃框選中的部分。
左邊部分為網路 I/O 模組，在不同平臺下有不同的實現機制，Linux 系統下通過 epoll 實現，OSX 和其他 BSD 系統採用 KQueue，SunOS 系統採用 Event ports，Windows 系統採用的是 IOCP。由於涉及作業系統底層 API，理解起來比較複雜，這裡就不多介紹了。
右邊部分包括檔案 I/O 模組、DNS 模組和使用者程式碼，通過執行緒池來實現非同步操作。檔案 I/O 與網路 I/O不同，libuv 沒有依賴於系統底層的 API，而是在全域性執行緒池中執行阻塞的檔案 I/O 操作。
libuv中的事件輪詢
下圖是 libuv 官網給出的事件輪詢工作流程圖，我們結合程式碼來一起分析。
libuv 事件迴圈的核心程式碼是在 uv_run() 函數中實現的，下面是 Unix 系統下的部分核心程式碼。雖然是用 C 語言編寫的，但和 JavaScript 一樣都是高階語言，所以理解起來也不算太困難。最大的區別可能是星號和箭頭，星號我們可以直接忽略。例如，函數引數中 uv_loop_t* loop 可以理解為 uv_loop_t 型別的變數 loop。箭頭 「→」 可以理解為點號「.」，例如，loop→stop_flag 可以理解為 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
這個函數用於判斷事件輪詢是否要繼續進行，如果 loop 物件中不存在活躍的任務則返回 0 並退出迴圈。
在 C 語言中這個 「任務」 有個專業的稱呼，即「控制程式碼」，可以理解為指向任務的變數。控制程式碼又可以分為兩類：request 和 handle，分別代表短生命週期控制程式碼和長生命週期控制程式碼。具體程式碼如下：
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
為了減少與時間相關的系統呼叫次數，同構這個函數來快取當前系統時間，精度很高，可以達到納秒級別，但單位還是毫秒。
具體原始碼如下：
UV_UNUSED(static void uv__update_time(uv_loop_t * loop)) {
loop - >time = uv__hrtime(UV_CLOCK_FAST) / 1000000;
}uv__run_timers
執行 setTimeout() 和 setInterval() 中到達時間閾值的回撥函數。這個執行過程是通過 for 迴圈遍歷實現的，從下面的程式碼中也可以看到，定時器回撥是儲存於一個最小堆結構的資料中的，當這個最小堆為空或者還未到達時間閾值時退出迴圈。
在執行定時器回撥函數前先移除該定時器，如果設定了 repeat，需再次加到最小堆裡，然後執行定時器回撥。
具體程式碼如下：
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
遍歷所有儲存在 pending_queue 中的 I/O 回撥函數，當 pending_queue 為空時返回 0；否則在執行完pending_queue 中的回撥函數後返回 1。
程式碼如下：
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
這 3 個函數都是通過一個宏函數 UV_LOOP_WATCHER_DEFINE 進行定義的，宏函數可以理解為程式碼模板，或者說用來定義函數的函數。3 次呼叫宏函數並分別傳入 name 引數值 prepare、check、idle，同時定義了 uvrun_idle、uvrun_prepare、uv__run_check 3 個函數。
所以說它們的執行邏輯是一致的，都是按照先進先出原則迴圈遍歷並取出佇列 loop->name##_handles 中的物件，然後執行對應的回撥函數。
#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 主要是用來輪詢 I/O 操作。具體實現根據作業系統的不同會有所區別，我們以 Linux 系統為例進行分析。
uv__io_poll 函數原始碼較多，核心為兩段迴圈程式碼，部分程式碼如下：
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 迴圈中，遍歷觀察者佇列 watcher_queue，並把事件和檔案描述符取出來賦值給事件物件 e，然後呼叫 epoll_ctl 函數來註冊或修改 epoll 事件。
在 for 迴圈中，會先將 epoll 中等待的檔案描述符取出賦值給 nfds，然後再遍歷 nfds，執行回撥函數。
uv__run_closing_handles
遍歷等待關閉的佇列，關閉 stream、tcp、udp 等 handle，然後呼叫 handle 對應的 close_cb。程式碼如下：
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
雖然 process.nextTick 和 Promise 都是非同步 API，但並不屬於事件輪詢的一部分，它們都有各自的任務佇列，在事件輪詢的每個步驟完成後執行。所以當我們使用這兩個非同步 API 的時候要注意，如果在傳入的回撥函數中執行長任務或遞迴，則會導致事件輪詢被阻塞，從而 「餓死」I/O 操作。
下面的程式碼就是通過遞迴呼叫 prcoess.nextTick 而導致 fs.readFile 的回撥函數無法執行的例子。
fs.readFile('config.json', (err, data) = >{...
}) const traverse = () = >{
process.nextTick(traverse)
}要解決這個問題，可以使用 setImmediate 來替代，因為 setImmediate 會在事件輪詢中執行回撥函數佇列。process.nextTick 任務佇列優先順序比 Promise任務佇列更高，具體的原因可以參看下面的程式碼：
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);
}從 processTicksAndRejections() 函數中可以看出，首先通過 while 迴圈取出 queue 佇列的回撥函數，而這個 queue 佇列中的回撥函數就是通過 process.nextTick 來新增的。當 while 迴圈結束後才呼叫runMicrotasks() 函數執行 Promise 的回撥函數。
總結
Node.js 的核心依賴 libuv的結構可以分兩部分，一部分是網路 I/O，底層實現會根據不同作業系統依賴不同的系統 API，另一部分是檔案 I/O、DNS、使用者程式碼，這一部分採用執行緒池來處理。
libuv 處理非同步操作的核心機制是事件輪詢，事件輪詢分成若干步驟，大致操作是遍歷並執行佇列中的回撥函數。
最後提到處理非同步的 API process.nextTick 和 Promise 不屬於事件輪詢，使用不當則會導致事件輪詢阻塞，其中一種解決方式就是使用 setImmediate 來替代。
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