什么是libuv，浅析libuv中的事件轮询（Node核心依赖）

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。

• 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。

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。

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。

更多node相关知识，请访问：nodejs 教程！

以上就是什么是libuv，浅析libuv中的事件轮询（Node核心依赖）的详细内容，更多请关注其它相关文章！

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