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Node.js C/C++ 插件 实例分析

nodejs 2022-05-10 16:53:59小码哥的IT人生shichen

Node.js Addons（插件）是动态链接的共享对象。他提供了C/C++类库能力。这些API比较复杂，他包以下几个类库:

  1. V8 JavaScript， C++类库。用来和JavaScript交互，比如创建对象，调用函数等等。在v8.h头文件中 (目录地址deps/v8/include/v8.h)，线上地址online。

  2. libuv，C事件循环库。等待文件描述符变为可读，等待定时器，等待信号时，会和libuv打交道。或者说，如果你需要和I/O打交道，就会用到libuv。

  3. 内部Node类库。其中最重要的类node::ObjectWrap，你会经常派生自它。

  4. 其他的参见deps/。

Node已经将所有的依赖编译成可以执行文件，所以你不必担心这些类库的链接问题。

以下所有例子可以在download下载，也许你可以从中找一个作为你的扩展插件。

Hello world

现在我们来写一个C++插件的小例子，它的效果和以下JS代码一致：

module.exports.hello = function() { return 'world'; };

通过以下代码来创建hello.cc文件:

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

注意：所有的Node插件必须输出一个初始化函数:

void Initialize (Handle<Object> exports);
NODE_MODULE(module_name, Initialize)

NODE_MODULE之后的代码没有分号，因为它不是一个函数 (参见node.h)。

module_name必须和二进制文件名字一致 (后缀是.node)。

源文件会编译成addon.node二进制插件。为此我们创建了一个很像JSON的binding.gyp文件，它包含配置信息，这个文件用node-gyp编译。

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

下一步创建一个node-gyp configure工程，在平台上生成这些文件。

创建后，在build/文件夹里拥有一个Makefile (Unix系统) 文件或者vcxproj文件(Windows 系统)。接着调用node-gyp build命令编译，生成.node文件。这些文件位于build/Release/目录里。

现在，你能在Node工程中使用这些二进制扩展插件，在hello.js中声明require之前编译的hello.node:

// hello.js
var addon = require('./build/Release/addon');
console.log(addon.hello()); // 'world'

更多的信息请参考https://github.com/arturadib/node-qt 。

插件模式

下面是一些addon插件的模式，帮助你开始编码。v8 reference文档里包含v8的各种接口，Embedder's Guide这个文档包含各种说明，比如handles, scopes, function templates等等。

在使用这些例子前，你需要先用node-gyp编译。创建binding.gyp 文件:

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

将文件名加入到sources数组里就可以使用多个.cc文件，例如 :

"sources": ["addon.cc", "myexample.cc"]

准备好binding.gyp文件后, 你就能配置并编译插件:

$ node-gyp configure build

函数参数

从以下模式中解释了如何从JavaScript函数中读取参数，并返回结果。仅需要一个addon.cc文件:

// addon.cc
#include <node.h>
using namespace v8;
void Add(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
  Isolate* isolate = Isolate::GetCurrent();
  HandleScope scope(isolate);
  if (args.Length() < 2) {
    isolate->ThrowException(Exception::TypeError(
        String::NewFromUtf8(isolate, "Wrong number of arguments")));
    return;
  }
  if (!args[0]->IsNumber() || !args[1]->IsNumber()) {
    isolate->ThrowException(Exception::TypeError(
        String::NewFromUtf8(isolate, "Wrong arguments")));
    return;
  }
  double value = args[0]->NumberValue() + args[1]->NumberValue();
  Local<Number> num = Number::New(isolate, value);
  args.GetReturnValue().Set(num);
}
void Init(Handle<Object> exports) {
  NODE_SET_METHOD(exports, "add", Add);
}
NODE_MODULE(addon, Init)

可以用以下的JavaScript代码片段测试：

// test.js
var addon = require('./build/Release/addon');
console.log( 'This should be eight:', addon.add(3,5) );

回调Callbacks

你也能传JavaScript函数给C++函数，并执行它。在addon.cc中:

// addon.cc
#include <node.h>
using namespace v8;
void RunCallback(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
  Isolate* isolate = Isolate::GetCurrent();
  HandleScope scope(isolate);
  Local<Function> cb = Local<Function>::Cast(args[0]);
  const unsigned argc = 1;
  Local<Value> argv[argc] = { String::NewFromUtf8(isolate, "hello world") };
  cb->Call(isolate->GetCurrentContext()->Global(), argc, argv);
}
void Init(Handle<Object> exports, Handle<Object> module) {
  NODE_SET_METHOD(module, "exports", RunCallback);
}
NODE_MODULE(addon, Init)

注意，这个例子中使用了Init()里的2个参数，module对象是第二个参数。它允许addon使用一个函数完全重写exports。

可以用以下的代码来测试：

// test.js
var addon = require('./build/Release/addon');
addon(function(msg){
  console.log(msg); // 'hello world'
});

对象工厂

在addon.cc模式里，你能用C++函数创建并返回一个新的对象，这个对象所包含的msg属性是由createObject()函数传入:

// addon.cc
#include <node.h>
using namespace v8;
void CreateObject(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
  Isolate* isolate = Isolate::GetCurrent();
  HandleScope scope(isolate);
  Local<Object> obj = Object::New(isolate);
  obj->Set(String::NewFromUtf8(isolate, "msg"), args[0]->ToString());
  args.GetReturnValue().Set(obj);
}
void Init(Handle<Object> exports, Handle<Object> module) {
  NODE_SET_METHOD(module, "exports", CreateObject);
}
NODE_MODULE(addon, Init)

使用JavaScript测试:

// test.js
var addon = require('./build/Release/addon');
var obj1 = addon('hello');
var obj2 = addon('world');
console.log(obj1.msg+' '+obj2.msg); // 'hello world'

工厂模式

这个模式里展示了如何创建并返回一个JavaScript函数，它是由C++函数包装的 :

// addon.cc
#include <node.h>
using namespace v8;
void MyFunction(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
  Isolate* isolate = Isolate::GetCurrent();
  HandleScope scope(isolate);
  args.GetReturnValue().Set(String::NewFromUtf8(isolate, "hello world"));
}
void CreateFunction(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
  Isolate* isolate = Isolate::GetCurrent();
  HandleScope scope(isolate);
  Local<FunctionTemplate> tpl = FunctionTemplate::New(isolate, MyFunction);
  Local<Function> fn = tpl->GetFunction();
  // omit this to make it anonymous
  fn->SetName(String::NewFromUtf8(isolate, "theFunction"));
  args.GetReturnValue().Set(fn);
}
void Init(Handle<Object> exports, Handle<Object> module) {
  NODE_SET_METHOD(module, "exports", CreateFunction);
}
NODE_MODULE(addon, Init)

测试:

// test.js
var addon = require('./build/Release/addon');
var fn = addon();
console.log(fn()); // 'hello world'

包装C++对象

以下会创建一个C++对象的包装MyObject，这样他就能在JavaScript中用new实例化。首先在addon.cc中准备主要模块:

// addon.cc
#include <node.h>
#include "myobject.h"
using namespace v8;
void InitAll(Handle<Object> exports) {
  MyObject::Init(exports);
}
NODE_MODULE(addon, InitAll)

接着在myobject.h创建包装，它继承自node::ObjectWrap:

// myobject.h
#ifndef MYOBJECT_H
#define MYOBJECT_H
#include <node.h>
#include <node_object_wrap.h>
class MyObject : public node::ObjectWrap {
 public:
  static void Init(v8::Handle<v8::Object> exports);
 private:
  explicit MyObject(double value = 0);
  ~MyObject();
  static void New(const v8::FunctionCallbackInfo<v8::Value>& args);
  static void PlusOne(const v8::FunctionCallbackInfo<v8::Value>& args);
  static v8::Persistent<v8::Function> constructor;
  double value_;
};
#endif

在myobject.cc中实现各种暴露的方法，通过给构造函数添加prototype属性来暴露plusOne方法:

// myobject.cc
#include "myobject.h"
using namespace v8;
Persistent<Function> MyObject::constructor;
MyObject::MyObject(double value) : value_(value) {
}
MyObject::~MyObject() {
}
void MyObject::Init(Handle<Object> exports) {
  Isolate* isolate = Isolate::GetCurrent();
  // Prepare constructor template
  Local<FunctionTemplate> tpl = FunctionTemplate::New(isolate, New);
  tpl->SetClassName(String::NewFromUtf8(isolate, "MyObject"));
  tpl->InstanceTemplate()->SetInternalFieldCount(1);
  // Prototype
  NODE_SET_PROTOTYPE_METHOD(tpl, "plusOne", PlusOne);
  constructor.Reset(isolate, tpl->GetFunction());
  exports->Set(String::NewFromUtf8(isolate, "MyObject"),
               tpl->GetFunction());
}
void MyObject::New(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
  Isolate* isolate = Isolate::GetCurrent();
  HandleScope scope(isolate);
  if (args.IsConstructCall()) {
    // Invoked as constructor: `new MyObject(...)`
    double value = args[0]->IsUndefined() ? 0 : args[0]->NumberValue();
    MyObject* obj = new MyObject(value);
    obj->Wrap(args.This());
    args.GetReturnValue().Set(args.This());
  } else {
    // Invoked as plain function `MyObject(...)`, turn into construct call.
    const int argc = 1;
    Local<Value> argv[argc] = { args[0] };
    Local<Function> cons = Local<Function>::New(isolate, constructor);
    args.GetReturnValue().Set(cons->NewInstance(argc, argv));
  }
}
void MyObject::PlusOne(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
  Isolate* isolate = Isolate::GetCurrent();
  HandleScope scope(isolate);
  MyObject* obj = ObjectWrap::Unwrap<MyObject>(args.Holder());
  obj->value_ += 1;
  args.GetReturnValue().Set(Number::New(isolate, obj->value_));
}

测试:

// test.js
var addon = require('./build/Release/addon');
var obj = new addon.MyObject(10);
console.log( obj.plusOne() ); // 11
console.log( obj.plusOne() ); // 12
console.log( obj.plusOne() ); // 13

包装对象工厂

当你想创建本地对象，又不想在JavaScript中严格的使用new初始化的时候，以下方法非常实用：

var obj = addon.createObject();
// instead of:
// var obj = new addon.Object();

在addon.cc中注册createObject方法:

// addon.cc
#include <node.h>
#include "myobject.h"
using namespace v8;
void CreateObject(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
  Isolate* isolate = Isolate::GetCurrent();
  HandleScope scope(isolate);
  MyObject::NewInstance(args);
}
void InitAll(Handle<Object> exports, Handle<Object> module) {
  MyObject::Init();
  NODE_SET_METHOD(module, "exports", CreateObject);
}
NODE_MODULE(addon, InitAll)

在myobject.h中有静态方法NewInstance，他能实例化对象（它就像JavaScript的new):

// myobject.h
#ifndef MYOBJECT_H
#define MYOBJECT_H
#include <node.h>
#include <node_object_wrap.h>
class MyObject : public node::ObjectWrap {
 public:
  static void Init();
  static void NewInstance(const v8::FunctionCallbackInfo<v8::Value>& args);
 private:
  explicit MyObject(double value = 0);
  ~MyObject();
  static void New(const v8::FunctionCallbackInfo<v8::Value>& args);
  static void PlusOne(const v8::FunctionCallbackInfo<v8::Value>& args);
  static v8::Persistent<v8::Function> constructor;
  double value_;
};
#endif

这个实现方法和myobject.cc类似:

// myobject.cc
#include <node.h>
#include "myobject.h"
using namespace v8;
Persistent<Function> MyObject::constructor;
MyObject::MyObject(double value) : value_(value) {
}
MyObject::~MyObject() {
}
void MyObject::Init() {
  Isolate* isolate = Isolate::GetCurrent();
  // Prepare constructor template
  Local<FunctionTemplate> tpl = FunctionTemplate::New(isolate, New);
  tpl->SetClassName(String::NewFromUtf8(isolate, "MyObject"));
  tpl->InstanceTemplate()->SetInternalFieldCount(1);
  // Prototype
  NODE_SET_PROTOTYPE_METHOD(tpl, "plusOne", PlusOne);
  constructor.Reset(isolate, tpl->GetFunction());
}
void MyObject::New(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
  Isolate* isolate = Isolate::GetCurrent();
  HandleScope scope(isolate);
  if (args.IsConstructCall()) {
    // Invoked as constructor: `new MyObject(...)`
    double value = args[0]->IsUndefined() ? 0 : args[0]->NumberValue();
    MyObject* obj = new MyObject(value);
    obj->Wrap(args.This());
    args.GetReturnValue().Set(args.This());
  } else {
    // Invoked as plain function `MyObject(...)`, turn into construct call.
    const int argc = 1;
    Local<Value> argv[argc] = { args[0] };
    Local<Function> cons = Local<Function>::New(isolate, constructor);
    args.GetReturnValue().Set(cons->NewInstance(argc, argv));
  }
}
void MyObject::NewInstance(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
  Isolate* isolate = Isolate::GetCurrent();
  HandleScope scope(isolate);
  const unsigned argc = 1;
  Handle<Value> argv[argc] = { args[0] };
  Local<Function> cons = Local<Function>::New(isolate, constructor);
  Local<Object> instance = cons->NewInstance(argc, argv);
  args.GetReturnValue().Set(instance);
}
void MyObject::PlusOne(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
  Isolate* isolate = Isolate::GetCurrent();
  HandleScope scope(isolate);
  MyObject* obj = ObjectWrap::Unwrap<MyObject>(args.Holder());
  obj->value_ += 1;
  args.GetReturnValue().Set(Number::New(isolate, obj->value_));
}

测试:

// test.js
var createObject = require('./build/Release/addon');
var obj = createObject(10);
console.log( obj.plusOne() ); // 11
console.log( obj.plusOne() ); // 12
console.log( obj.plusOne() ); // 13
var obj2 = createObject(20);
console.log( obj2.plusOne() ); // 21
console.log( obj2.plusOne() ); // 22
console.log( obj2.plusOne() ); // 23

传递包装对象

除了包装并返回C++对象，你可以使用Node的node::ObjectWrap::Unwrap帮助函数来解包。在下面的addon.cc中，我们介绍了一个add()函数，它能获取2个 MyObject对象：

// addon.cc
#include <node.h>
#include <node_object_wrap.h>
#include "myobject.h"
using namespace v8;
void CreateObject(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
  Isolate* isolate = Isolate::GetCurrent();
  HandleScope scope(isolate);
  MyObject::NewInstance(args);
}
void Add(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
  Isolate* isolate = Isolate::GetCurrent();
  HandleScope scope(isolate);
  MyObject* obj1 = node::ObjectWrap::Unwrap<MyObject>(
      args[0]->ToObject());
  MyObject* obj2 = node::ObjectWrap::Unwrap<MyObject>(
      args[1]->ToObject());
  double sum = obj1->value() + obj2->value();
  args.GetReturnValue().Set(Number::New(isolate, sum));
}
void InitAll(Handle<Object> exports) {
  MyObject::Init();
  NODE_SET_METHOD(exports, "createObject", CreateObject);
  NODE_SET_METHOD(exports, "add", Add);
}
NODE_MODULE(addon, InitAll)

介绍myobject.h里的一个公开方法，它能在解包后使用私有变量:

// myobject.h
#ifndef MYOBJECT_H
#define MYOBJECT_H
#include <node.h>
#include <node_object_wrap.h>
class MyObject : public node::ObjectWrap {
 public:
  static void Init();
  static void NewInstance(const v8::FunctionCallbackInfo<v8::Value>& args);
  inline double value() const { return value_; }
 private:
  explicit MyObject(double value = 0);
  ~MyObject();
  static void New(const v8::FunctionCallbackInfo<v8::Value>& args);
  static v8::Persistent<v8::Function> constructor;
  double value_;
};
#endif

myobject.cc的实现方法和之前的类似:

// myobject.cc
#include <node.h>
#include "myobject.h"
using namespace v8;
Persistent<Function> MyObject::constructor;
MyObject::MyObject(double value) : value_(value) {
}
MyObject::~MyObject() {
}
void MyObject::Init() {
  Isolate* isolate = Isolate::GetCurrent();
  // Prepare constructor template
  Local<FunctionTemplate> tpl = FunctionTemplate::New(isolate, New);
  tpl->SetClassName(String::NewFromUtf8(isolate, "MyObject"));
  tpl->InstanceTemplate()->SetInternalFieldCount(1);
  constructor.Reset(isolate, tpl->GetFunction());
}
void MyObject::New(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
  Isolate* isolate = Isolate::GetCurrent();
  HandleScope scope(isolate);
  if (args.IsConstructCall()) {
    // Invoked as constructor: `new MyObject(...)`
    double value = args[0]->IsUndefined() ? 0 : args[0]->NumberValue();
    MyObject* obj = new MyObject(value);
    obj->Wrap(args.This());
    args.GetReturnValue().Set(args.This());
  } else {
    // Invoked as plain function `MyObject(...)`, turn into construct call.
    const int argc = 1;
    Local<Value> argv[argc] = { args[0] };
    Local<Function> cons = Local<Function>::New(isolate, constructor);
    args.GetReturnValue().Set(cons->NewInstance(argc, argv));
  }
}
void MyObject::NewInstance(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
  Isolate* isolate = Isolate::GetCurrent();
  HandleScope scope(isolate);
  const unsigned argc = 1;
  Handle<Value> argv[argc] = { args[0] };
  Local<Function> cons = Local<Function>::New(isolate, constructor);
  Local<Object> instance = cons->NewInstance(argc, argv);
  args.GetReturnValue().Set(instance);
}

测试:

// test.js
var addon = require('./build/Release/addon');
var obj1 = addon.createObject(10);
var obj2 = addon.createObject(20);
var result = addon.add(obj1, obj2);
console.log(result); // 30

 

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