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學(xué)習(xí)完nodejs基石之一的v8基礎(chǔ)篇(還沒看過的童鞋請?zhí)D(zhuǎn)到這里：nodejs深入學(xué)習(xí)系列之v8基礎(chǔ)篇)礁遵，我們這次將要繼續(xù)學(xué)習(xí)另外一塊基石：libuv。關(guān)于libuv的設(shè)計思想贪庙，我已經(jīng)翻譯成中文，還沒看過的童鞋還是請?zhí)D(zhuǎn)到這里： [譯文]libuv設(shè)計思想概述被芳，如果還沒看完這篇文章的童鞋烤送，下面的內(nèi)容也不建議細(xì)看了，因為會有”代溝“的問題~

本文的所有示例代碼都可以在這個倉庫中找到： libuv-demo

1爹土、libuv入門介紹

libuv是一個跨平臺聚焦于異步IO的庫，著名的event-loop便是libuv的一大特色踩身。我們要學(xué)習(xí)Libuv胀茵，那么就要先掌握libuv的編譯。

1.1挟阻、libuv的編譯簡單介紹

和v8一樣琼娘，libuv的編譯簡單概括如下：

1. 先下載GYP：git clone https://chromium.googlesource.com/external/gyp build/gyp
2. 指定ninja：./gyp_uv.py -f ninja
3. 編譯：ninja -C out/Debug
4. 跑測試： ./out/Debug/run-tests

1.2、libuv簡單使用

利用編譯好的libuv庫文件赁濒，我們可以開始寫一個簡單又經(jīng)典的例子： Hello world轨奄。

#include "stdio.h"
#include "uv.h"

int main() {
  uv_loop_t *loop = uv_default_loop();
  printf("hello libuv");
  uv_run(loop, UV_RUN_DEFAULT);
}

喜歡動手的童鞋可以下載一開始提到的demo，其中的hello_libuv.c便是拒炎，利用如何正確地使用v8嵌入到我們的C++應(yīng)用中這篇文章講到的運(yùn)行方式挪拟，我們借助CLion軟件和CMakeLists.txt文件來編譯所有的demo模塊，這方面就不再贅述了击你，記得將CMakeLists.txt文件中的include_directories和link_directories改成你在第一小節(jié)編譯出來的Libuv靜態(tài)庫文件的目錄位置玉组。

好了，有了上面的基礎(chǔ)之后丁侄，我們開始結(jié)合demo來入門這個深藏眾多秘密的代碼庫惯雳。接下去的文章可能會比較長，一次讀不完的話建議收藏起來鸿摇，多讀幾次~

2石景、libuv的基礎(chǔ)概念介紹與實踐

看懂libuv之前，我們需要理解下面這些概念拙吉，并用實際用例來測試這些概念潮孽。

2.1、event-loop線程

我們都知道線程是操作系統(tǒng)最基本的調(diào)度單元筷黔，而進(jìn)程是操作系統(tǒng)的最基本的資源分配單元往史，因此可以知道進(jìn)程其實是不能運(yùn)行，能運(yùn)行的是進(jìn)程中的線程佛舱。進(jìn)程僅僅是一個容器椎例，包含了線程運(yùn)行中所需要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等信息挨决。一個進(jìn)程創(chuàng)建時，操作系統(tǒng)會創(chuàng)建一個線程订歪，這就是主線程脖祈，而其他的從線程，都要在主線程的代碼來創(chuàng)建陌粹，也就是由程序員來創(chuàng)建撒犀。因此每一個可執(zhí)行的運(yùn)用程序都至少有一個線程

于是libuv一開始便啟動了event-loop線程，再在這個主線程上利用線程池去創(chuàng)建更多的線程掏秩。在event-loop線程中是一段while(1)的死循環(huán)代碼，直到?jīng)]有活躍的句柄的時候才會退出荆姆，這個時候libuv進(jìn)程才被銷毀掉蒙幻。清楚這點對于后面的學(xué)習(xí)至關(guān)重要。

2.2胆筒、Handle

中文翻譯為句柄邮破，如[譯文]libuv設(shè)計思想概述一文所屬，整個libuv的實現(xiàn)都是基于Handle和Request仆救。所以理解句柄以及l(fā)ibuv提供的所有句柄實例才能夠真的掌握libuv抒和。按照原文所述，句柄是：

表示能夠在活動時執(zhí)行某些操作的長生命周期對象彤蔽。

理解這句話的意思,首先我們抓住兩個關(guān)鍵詞：長生命周期摧莽、對象。Libuv所有的句柄都需要初始化顿痪，而初始化都會調(diào)用類似這種函數(shù)：uv_xxx_init镊辕。xxx表示句柄的類型，在該函數(shù)中蚁袭，會將傳入的形參handle初始化征懈，并賦值返回具體的對象，比如初始化tcp句柄：

... // 隨便截取一段初始化代碼
handle->tcp.serv.accept_reqs = NULL;
handle->tcp.serv.pending_accepts = NULL;
handle->socket = INVALID_SOCKET;
handle->reqs_pending = 0;
handle->tcp.serv.func_acceptex = NULL;
handle->tcp.conn.func_connectex = NULL;
handle->tcp.serv.processed_accepts = 0;
handle->delayed_error = 0
...

理解了句柄其實就是個對象揩悄，那么長生命周期要是怎樣的卖哎？還是以TCP句柄為例子，你在這個例子tcpserver.c中删性，可以看到后面tcp服務(wù)器的操作：綁定端口亏娜、監(jiān)聽端口都是基于tcp句柄，整個句柄存活于整個應(yīng)用程序镇匀，只要tcp服務(wù)器沒有掛掉就一直在照藻，因此說是長生命周期的對象。

libuv提供的所有句柄如下：

image

接下去我們簡單介紹以下所有的Libuv的句柄

2.2.1汗侵、uv_handle_t

首先libuv有一個基本的handle, uv_handle_t幸缕，libuv是所有其他handle的基本范式群发，任何handle都可以強(qiáng)轉(zhuǎn)為該類型，并且和該Handle相關(guān)的所有API都可以為其他handle使用发乔。

libuv能否一直運(yùn)行下去的前提是檢查是否有活躍的句柄存在熟妓，而檢查一個句柄是否活躍(可以使用方法uv_is_active(const uv_handle_t* handle)檢查)，根據(jù)句柄類型不同栏尚，其含義也不一樣：

1. uv_async_t句柄總是活躍的并且不能停用起愈，除非使用uv_close關(guān)閉掉
2. uv_pipe_t、uv_tcp_t, uv_udp_t等译仗，這些牽扯到I/O的句柄一般也都是活躍
3. uv_check_t, uv_idle_t, uv_timer_t等抬虽，當(dāng)這些句柄開始調(diào)用uv_check_start(), uv_idle_start()的時候也是活躍的。

而檢查哪些句柄活躍則可以使用這個方法：uv_print_active_handles(handle->loop, stderr);

以tcpserver.c為例子纵菌，我們啟動tcp服務(wù)器后阐污，啟動一個定時器去打印存在的句柄，結(jié)果如下：

[-AI] async    0x10f78e9d8
[RA-] tcp      0x10f78e660
[RA-] timer    0x7ffee049d7c0

可以看到tcp的例子中一直存活的句柄是async咱圆、tcp笛辟、timer。它們前面中括號的標(biāo)志解釋如下：

R 表示該句柄被引用著
A 表示該句柄此時處于活躍狀態(tài)
I 表示該句柄是內(nèi)部使用的

2.2.2序苏、uv_timer_t

顧名思義手幢，Libuv的計時器，用來在將來某個時候調(diào)用對應(yīng)設(shè)置的回調(diào)函數(shù)忱详。其調(diào)用時機(jī)是在整個輪詢的最最開始围来，后面我們會說到輪詢的整個步驟。

2.2.3踱阿、uv_idle_t

Idle句柄在每次循環(huán)迭代中運(yùn)行一次給定的回調(diào)管钳，而且執(zhí)行順序是在prepare句柄之前。

與prepare句柄的顯著區(qū)別在于软舌，當(dāng)存在活動的空閑句柄時才漆，循環(huán)將執(zhí)行零超時輪詢，而不是阻塞I/O佛点。

在uv_backend_timeout方法中我們可以看到返回的輪詢I/O超時時間是0：

if (!QUEUE_EMPTY(&loop->idle_handles))
    return 0;

idle句柄的回調(diào)一般用來執(zhí)行一些低優(yōu)先級的任務(wù)醇滥。

**注意：盡管名稱叫做“idle”，空閑句柄在每次循環(huán)迭代時都會調(diào)用它們的回調(diào)函數(shù)超营，而不是在循環(huán)實際上是“空閑”的時候鸳玩。**

2.2.3、uv_prepare_t

prepare句柄將在每次循環(huán)迭代中運(yùn)行一次給定的回調(diào)演闭，而且是選擇在I/O輪詢之前不跟。

問題是：libuv為什么要創(chuàng)造這么一種句柄？其實從名稱來猜測米碰，libuv應(yīng)該是想提供一種方式讓你可以在輪詢I/O之前做些事情窝革，然后在輪詢I/O之后使用check句柄進(jìn)行一些結(jié)果的校驗购城。

2.2.4、uv_check_t

check句柄將在每次循環(huán)迭代中運(yùn)行一次給定的回調(diào)虐译，而且是選擇在I/O輪詢之后瘪板。其目的在上面已經(jīng)提過

2.2.5、uv_async_t

Async句柄允許用戶“喚醒”事件循環(huán)漆诽，并在主線程(原文翻譯為another thread侮攀，其實不對)調(diào)用一開始注冊的回調(diào)。這里說的喚醒其實就是發(fā)送消息給主線程(event-loop線程)厢拭，讓其可以執(zhí)行一開始注冊的回調(diào)了兰英。

**注意：libuv會對`uv_async_send()`做一個聚合處理。也就是說它并不會調(diào)用一次就執(zhí)行一次回調(diào)供鸠。**

我們使用thread.c為例子箭昵，使用uv_queue_work和uv_async_send來實踐，得到的結(jié)果打印如下：

// 打印出主進(jìn)程ID號和event-loop線程ID
I am the master process, processId => 90714
I am event loop thread => 0x7fff8c2d9380

// 這個是uv_queue_work執(zhí)行的回調(diào)回季，從線程ID可以看到回調(diào)函數(shù)是在線程池中的某個線程中執(zhí)行
I am work callback, calling in some thread in thread pool, pid=>90714
work_cb thread id 0x700001266000

// 這個是uv_queue_work執(zhí)行完回調(diào)后結(jié)束的回調(diào)，從線程ID可以看到這個回調(diào)已經(jīng)回到了主線程中執(zhí)行
I am after work callback, calling from event loop thread, pid=>90714
after_work_cb thread id 0x7fff8c2d9380

// 這個是uv_async_init的回調(diào)正林，其觸發(fā)是因為在work callback中執(zhí)行了uv_async_send泡一，可以從0x700001266000得到驗證，該回調(diào)也是在主線程中執(zhí)行
I am async callback, calling from event loop thread, pid=>90714
async_cb thread id 0x7fff8c2d9380
I am receiving msg: This msg from another thread: 0x700001266000

2.2.6觅廓、uv_poll_t

Poll句柄用于監(jiān)視文件描述符的可讀性鼻忠、可寫性和斷開連接，類似于poll(2)的目的杈绸。

Poll句柄的目的是支持集成外部庫帖蔓，這些庫依賴于事件循環(huán)來通知套接字狀態(tài)的更改，比如c-ares或libssh2瞳脓。不建議將uv_poll_t用于任何其他目的;因為像uv_tcp_t塑娇、uv_udp_t等提供了一個比uv_poll_t更快、更可伸縮的實現(xiàn)劫侧，尤其是在Windows上埋酬。

可能輪詢處理偶爾會發(fā)出信號，表明文件描述符是可讀或可寫的烧栋，即使它不是写妥。因此，當(dāng)用戶試圖從fd讀取或?qū)懭霑r审姓，應(yīng)該總是準(zhǔn)備再次處理EAGAIN錯誤或類似的EAGAIN錯誤珍特。

同一個套接字不能有多個活躍的Poll句柄，因為這可能會導(dǎo)致libuv出現(xiàn)busyloop或其他故障魔吐。

當(dāng)活躍的Poll句柄輪詢文件描述符時扎筒，用戶不應(yīng)關(guān)閉該文件描述符莱找。否則可能導(dǎo)致句柄報告錯誤，但也可能開始輪詢另一個套接字砸琅。但是宋距，可以在調(diào)用uv_poll_stop()或uv_close()之后立即安全地關(guān)閉fd。

**在Windows上症脂，只有套接字的文件描述符可以被輪詢谚赎，Linux上，任何[`poll(2)`](http://linux.die.net/man/2/poll)接受的文件描述符都可以被輪詢**

下面羅列的是輪詢的事件類型：

enum uv_poll_event {
    UV_READABLE = 1,
    UV_WRITABLE = 2,
    UV_DISCONNECT = 4,
    UV_PRIORITIZED = 8
};

2.2.7诱篷、uv_signal_t

Signal句柄在每個事件循環(huán)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)Unix風(fēng)格的信號處理壶唤。在udpserver.c中展示了Signal句柄的使用方式：

uv_signal_t signal_handle;
r = uv_signal_init(loop, &signal_handle);
CHECK(r, "uv_signal_init");

r = uv_signal_start(&signal_handle, signal_cb, SIGINT);

void signal_cb(uv_signal_t *handle, int signum) {
  printf("signal_cb: recvd CTRL+C shutting down\n");
  uv_stop(uv_default_loop()); //stops the event loop
}

關(guān)于Signal句柄有幾個點要知悉：

1. 以編程方式調(diào)用raise()或abort()觸發(fā)的信號不會被libuv檢測到;所以這些信號不會對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。
2. SIGKILL和SIGSTOP是不可能被捕捉到的
3. 通過libuv處理SIGBUS棕所、SIGFPE闸盔、SIGILL或SIGSEGV會導(dǎo)致未定義的行為

2.2.8、uv_process_t

process句柄將會新建一個新的進(jìn)程并且能夠允許用戶控制該進(jìn)程并使用流去建立通信通道琳省。對應(yīng)的demo可以查看：process.c迎吵，值得注意的是，args中提供的結(jié)構(gòu)體的第一個參數(shù)path指的是可執(zhí)行程序的路徑针贬，比如在demo中：

const char* exepath = exepath_for_process();
char *args[3] = { (char*) exepath, NULL, NULL };

實例中的exepath是：FsHandle的執(zhí)行路徑击费。

另外一個注意點就是父子進(jìn)程的std的配置，demo中提供了一些參考桦他，如果使用管道的話還可以參考另外一個demo：pipe

2.2.9蔫巩、uv_stream_t

流句柄提供了雙工通信通道的抽象。uv_stream_t是一種抽象類型快压，libuv以uv_tcp_t圆仔、uv_pipe_t和uv_tty_t的形式提供了3種流實現(xiàn)。這個沒有具體實例蔫劣。但是libuv有好幾個方法的入?yún)⒍际?code>uv_stream_t坪郭，說明這些方法都是可以被tcp/pipe/tty使用，具體有：

int uv_shutdown(uv_shutdown_t* req, uv_stream_t* handle, uv_shutdown_cb cb)
int uv_listen(uv_stream_t* stream, int backlog, uv_connection_cb cb)
int uv_accept(uv_stream_t* server, uv_stream_t* client)
int uv_read_start(uv_stream_t* stream, uv_alloc_cb alloc_cb, uv_read_cb read_cb)
int uv_read_stop(uv_stream_t*)
int uv_write(uv_write_t* req, uv_stream_t* handle, const uv_buf_t bufs[], unsigned int nbufs, uv_write_cb cb)
int uv_write2(uv_write_t* req, uv_stream_t* handle, const uv_buf_t bufs[], unsigned int nbufs, uv_stream_t* send_handle, uv_write_cb cb)

2.2.10拦宣、uv_tcp_t

tcp句柄可以用來表示TCP流和服務(wù)器截粗。上小節(jié)說到的uv_stream_t是uv_tcp_t的”父類“，這里使用結(jié)構(gòu)體繼承的方式實現(xiàn)鸵隧，uv_handle_t绸罗、uv_stream_t、uv_tcp_t三者的結(jié)構(gòu)關(guān)系如下圖：

image

使用libuv創(chuàng)建tcp服務(wù)器的步驟可以歸納為：

1豆瘫、初始化uv_tcp_t: uv_tcp_init(loop, &tcp_server)
2珊蟀、綁定地址：uv_tcp_bind
3、監(jiān)聽連接：uv_listen
4、每當(dāng)有一個連接進(jìn)來之后育灸，調(diào)用uv_listen的回調(diào)腻窒，回調(diào)里要做如下事情：
  4.1、初始化客戶端的tcp句柄：uv_tcp_init()
  4.2磅崭、接收該客戶端的連接：uv_accept()
  4.3儿子、開始讀取客戶端請求的數(shù)據(jù)：uv_read_start()
  4.4、讀取結(jié)束之后做對應(yīng)操作砸喻，如果需要響應(yīng)客戶端數(shù)據(jù)柔逼，調(diào)用uv_write，回寫數(shù)據(jù)即可割岛。

更多細(xì)節(jié)參考demo

2.2.11愉适、uv_pipe_t

Pipe句柄在Unix上提供了對本地域套接字的抽象，在Windows上提供了命名管道癣漆。它是uv_stream_t的“子類”维咸。管道的用途很多，可以用來讀寫文件惠爽，還可以用來做線程間的通信癌蓖。我們在實例中用來實現(xiàn)主線程與多個子線程的互相通信。實現(xiàn)的模型是這樣的：

image

從模型中可以看出婚肆，我們利用管道將客戶端的連接綁定到隨機(jī)的一個線程上费坊，之后的操作都是該線程和客戶端的通信。

2.2.12旬痹、uv_tty_t

TTY句柄表示控制臺的一種流，用的比較少讨越，就不多說了~

2.2.13两残、uv_udp_t

UDP句柄為客戶端和服務(wù)器封裝UDP通信。使用libuv創(chuàng)建udp服務(wù)器的步驟可以概括為：

1把跨、初始化接收端的uv_udp_t: uv_udp_init(loop, &receive_socket_handle)
2人弓、綁定地址：uv_udp_bind
3、開始接收消息：uv_udp_recv_start
4着逐、uv_udp_recv_start里執(zhí)行回調(diào)崔赌，可以使用下面方法回寫數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端
  4.1、uv_udp_init初始化send_socket_handle
  4.2耸别、uv_udp_bind綁定發(fā)送者的地址健芭，地址可以從recv獲取
  4.3、uv_udp_send發(fā)送指定消息

如果是官方文檔給出的示例的話秀姐，那么會使用uv_udp_set_broadcast設(shè)置廣播的地址慈迈。具體可以參考udp

2.2.14、uv_fs_event_t

FS事件句柄允許用戶監(jiān)視一個給定的路徑的更新事件省有，例如痒留，如果文件被重命名或其中有一個通用更改谴麦。這個句柄使用每個平臺上最佳的解決方案。

2.2.15伸头、uv_fs_poll_t

FS輪詢句柄允許用戶監(jiān)視給定的更改路徑匾效。與uv_fs_event_t不同，fs poll句柄使用stat檢測文件何時發(fā)生了更改恤磷，這樣它們就可以在不支持fs事件句柄的文件系統(tǒng)上工作面哼。

2.3、Request

那么接下去就說到Request這個短生命周期的概念碗殷，中文翻譯為”請求“精绎，類似于nodejs中的req,它也是一個結(jié)構(gòu)體。還是以上述的tcp服務(wù)器為例子锌妻，有這么一段代碼：

  if (r < 0) {
    // 如果接受連接失敗代乃，需要清理一些東西
    uv_shutdown_t *shutdown_req = malloc(sizeof(uv_shutdown_t));

    r = uv_shutdown(shutdown_req, (uv_stream_t *)tcp_client_handle, shutdown_cb);
    CHECK(r, "uv_shutdown");
  }

當(dāng)客戶端連接失敗炭菌，需要關(guān)閉掉這個連接颈渊，于是我們就會初始化一個request，然后傳遞給我們需要請求的操作寓娩，這里是關(guān)閉請求shutdown吭历。

關(guān)于libuv提供的句柄和request堕仔，我這里整理一張思維導(dǎo)圖，可以一看：

image

libuv的Request操作對比于句柄晌区，還是比較少的摩骨。上圖把每一個request的使用說明都講得一清二楚了。我們能做的就是隨時翻閱這篇文章即可朗若。

2.3.1恼五、uv_request_t

uv_request_t是基本的request，其他任何request都是基于該結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)展哭懈，它定義的所有api其他request都可以使用灾馒。和uv_handle_t一樣的功效。

2.4遣总、libuv運(yùn)行的三種模式

接著說說Libuv提供的三種運(yùn)行模式：

• UV_RUN_DEFAULT 默認(rèn)輪詢模式睬罗，此模式會一直運(yùn)行事件循環(huán)直到?jīng)]有活躍句柄、引用句柄旭斥、和請求句柄
• UV_RUN_ONCE 一次輪詢模式容达，此模式如果pending_queue中有回調(diào)，則會執(zhí)行回調(diào)而直接跨過uv__io_poll垂券。如果沒有董饰，則此方式只會執(zhí)行一次I/O輪詢（uv__io_poll）。如果在執(zhí)行過后有回調(diào)壓入到了pending_queue中，則uv_run會返回非0卒暂，你需要在未來的某個時間再次觸發(fā)一次uv_run來清空pending_queue啄栓。
• UV_RUN_NOWAIT 一次輪詢（無視pending_queue）模式，此模式類似UV_RUN_ONCE但是不會判斷pending_queue是否存在回調(diào)也祠，直接進(jìn)行一次I/O輪詢昙楚。

最后

ok，限于篇幅诈嘿，libuv的基礎(chǔ)篇仍未結(jié)束堪旧，你可以點我繼續(xù)閱讀第二篇，也可以先自己消化消化~