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图1:Node.js overview

本文所做的研究基于Node.js v0.12.4 Linux版本。

熟悉Node.js的同学都知道Node.js由v8 engine，内建的模块以及libuv组成。这是一个宽泛的介绍。本文通过一张图来详细了解以下Node.js运行中涉及到的各路英雄。

对于Node.js而言，可以将v8 engine和libuv看成是一个库。虽然事实上，在编译Node时，二者是以源代码方式直接编译进可执行文件node中去的。v8 engine和libuv源代码放在node-vXXX/deps目录下。本文先依次介绍v8 engien和libuv，最后结合图1讲述Node.js如何将这二者优雅地结合在一起的。

v8 engine

V8 engine的详细说明可以参考V8的在线文档(https://developers.google.com/v8/intro)。

    #include "include/v8.h"
    #include "include/libplatform/libplatform.h"

    using namespace v8;

    int main(int argc, char* argv[]) {
    // Initialize V8.
    V8::InitializeICU();
    Platform* platform = platform::CreateDefaultPlatform();
    V8::InitializePlatform(platform);
    V8::Initialize();

    // Create a new Isolate and make it the current one.
    Isolate* isolate = Isolate::New();
    {
        Isolate::Scope isolate_scope(isolate);

        // Create a stack-allocated handle scope.
        HandleScope handle_scope(isolate);

        // Create a new context.
        Local<Context> context = Context::New(isolate);
  
        // Enter the context for compiling and running the hello world script.
        Context::Scope context_scope(context);
  
        // Create a string containing the JavaScript source code.
        Local<String> source = String::NewFromUtf8(isolate, "'Hello' + ', World!'");
  
        // Compile the source code.
        Local<Script> script = Script::Compile(source);
  
        // Run the script to get the result.
        Local<Value> result = script->Run();
  
        // Convert the result to an UTF8 string and print it.
        String::Utf8Value utf8(result);
        printf("%s\n", *utf8);
    }

    // Dispose the isolate and tear down V8.
    isolate->Dispose();
    V8::Dispose();
    V8::ShutdownPlatform();
    delete platform;
    return 0;
}

上面是一个典型的v8使用示例。总体而言，v8里面包含几个重要的概念：isolate, context, handles。

isolate代表一个v8 engine 实例。各个isolate之间的状态完全独立，位于一个isolate中的object无法在另外一个isolate中被使用。
context代表一个执行JS代码的虚拟机，在这个虚拟机中已经集成了一些object如Math, JSON以及function如Date(), RegExp(), String(), Object(), and Array()。一个isolate中可以同时存在多个context，且可以在这些context中切换。如图2所示。
在v8 engine中通过handle访问存在于heap上的JS object。handle有不少种类，包括Local, Persistent, Eternal等。在v8中有一个handle stack用于管理这些handles，如图3所示。

图2：v8 engine context

图3： v8 engine handle stack

libuv

libuv是一个多平台的，主要用于处理事件驱动的异步I/O模型库。可以参考http://docs.libuv.org/en/v1.x/ 获取更详细的信息。

图4： libuv模块分布图

取决于所运行的操作系统平台，libuv通过epoll, IOCP等方式来实现异步network I/O。而对于File I/O, DNS的操作则依赖于Thread Pool来实现。如图4所示。 http://nikhilm.github.io/uvbook/ 是一个非常好的libuv入门以及API参考文档。 libuv的核心部分是I/O (or event) loop。如图5所示，该loop负责调用callback function、运行idle function、执行事件polling轮询等操作。

图5：libuv I/O(or event) loop

Node.js

介绍完v8 engine和libuv，让我们把目光再次转移到图1上来。除了牵手v8 engine和libuv外，Node.js本身也做了不少工作。提供了包括JS模块，C++模块(包括各种wrap)在内的核心模块供开发者使用。

如果按照Node代码的命名方法，这些JS模块叫“native module”，而C++模块叫“builtin module”。Node.js的代码包括libuv基本上是以C++写成的，将这些用C++写成的模块叫builtin也是合情合理。而native则喻为与Node之生俱来，也与第三方开发的以示区别。

内建的C++模块位于Node源代码的src目录，而JS模块则位于lib目录。通常C++模块是作为内部模块导出给lib/*.js模块使用，如C++所写的tcp_wrap模块是导出给net.js模块使用，而C++所写的crypto则会提供给crypto.js使用。

图6是一个关于native module和builtin module如何编译以及加载到内存的过程。对于Node自身提供的模块，其实无论是JS模块还是C++模块，最终都在编译生成可执行文件node时，嵌入到了ELF文件里面。而对这两者的提取方式却不一样。对于JS模块，使用process.binding(“natives”)，而对于C++模块则直接用get_builtin_module()得到。

图6：native module和buildin module编译和加载过程

当我们执行 node test.js 执行我们所写的JS代码时，node_main.cc首先被调用。这一步主要的工作是初始化v8 engine和libuv执行环境。 uv_run(env->event_loop(), UV_RUN_ONCE) 用于启动libuv event loop。而我们的JS代码 test.js则会作为输入传递给CreateEnvironment()，最终交由v8 engine执行。

查看Node.cc代码，可以看到若干与v8 engine交互的工作，包括context, handle等的创建、通过v8的函数模版创建类的constructor以及类的prototype object等操作。其中通过函数模版创建类的constructor以及类的prototype object等操作非常有意思。

在JavaScript中，类是基于prototype继承的方式来实现的。一个JS类包含一个constructor和prototype object以及包括其它如proto在内的property。通过v8提供的C++ API来完成这些操作其实是生成与JS的类概念相同的代码。我后面会写一篇文章介绍“callback from libuv to JS”，里面会详细介绍对于一个具体的callback function如何通过这种方式来实现从C++世界到JavaScript世界的穿越。

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