node-addon-api的设计和实现
发布于 10 天前 作者 theanarkh 780 次浏览 来自 分享

前言:开发Nodej.js Addon的方式经过不断地改进,已经逐步完善,至少我们不需要在升级Node.js版本的同时担心Addon用不了或者重新编译。目前Node.js提供的开发方式是napi。但是napi用起来非常冗余和麻烦,每一步都需要我们自己去控制,所以又有大佬封装了面向对象版本的api(node-addon-api),使用上方便了很多,本文分析一下node-addon-api的设计思想,但不会分析过多细节,因为我们理解了设计思想后,使用时去查阅文档或者看源码就可以。

我们首先看一下使用napi写一个hello world的例子。

#include <assert.h>
#include <node_api.h>

static napi_value Method(napi_env env, napi_callback_info info) {
  napi_status status;
  napi_value world;
  status = napi_create_string_utf8(env, "world", 5, &world);
  assert(status == napi_ok);
  return world;
}

#define DECLARE_NAPI_METHOD(name, func)                                        \
  { name, 0, func, 0, 0, 0, napi_default, 0 }

static napi_value Init(napi_env env, napi_value exports) {
  napi_status status;
  napi_property_descriptor desc = DECLARE_NAPI_METHOD("hello", Method);
  status = napi_define_properties(env, exports, 1, &desc);
  assert(status == napi_ok);
  return exports;
}

NAPI_MODULE(NODE_GYP_MODULE_NAME, Init)

接着我们看一下node-addon-api版的写法。

#include <napi.h>

Napi::String Method(const Napi::CallbackInfo& info) {
  Napi::Env env = info.Env();
  return Napi::String::New(env, "world");
}

Napi::Object Init(Napi::Env env, Napi::Object exports) {
  exports.Set(Napi::String::New(env, "hello"),
              Napi::Function::New(env, Method));
  return exports;
}

NODE_API_MODULE(hello, Init)

我们看到,代码简洁了很多,有点写js的感觉了。

下面我们看看这些简洁背后的设计。我们从模块定义开始分析。

NODE_API_MODULE(hello, Init)

NODE_API_MODULE是node-addon-api定义的宏。

#define NODE_API_MODULE(modname, regfunc)                                      \
  static napi_value __napi_##regfunc(napi_env env, napi_value exports) {       \
    return Napi::RegisterModule(env, exports, regfunc);                        \
  }                                                                            \
  NAPI_MODULE(modname, __napi_##regfunc)

我们看到NODE_API_MODULE是对NAPI_MODULE的封装,NAPI_MODULE的分析可以参考之前napi原理相关的文章,这里就不具体分析。最后在加载addon的时候执行__napi_##regfunc函数。并传入napi_env env, napi_value exports参数。我们知道这是napi规范的参数。接着执行RegisterModule。

inline napi_value RegisterModule(napi_env env,
                                 napi_value exports,
                                 ModuleRegisterCallback registerCallback) {
  // details::WrapCallback里会执行lamda函数并返回lamda的返回值                      
  return details::WrapCallback([&] {
    return napi_value(registerCallback(Napi::Env(env),
                                       Napi::Object(env, exports)));
  });
}

RegisterModule里最终会执行registerCallback。我们看一下registerCallback变量的类型ModuleRegisterCallback的定义。

typedef Object (*ModuleRegisterCallback)(Env env, Object exports);

所以registerCallback的参数是Env和Object对象。这两个类不是Node.js也不是V8定义的,而是node-addon-api。我们一会再分析,我们先知道他是两个对象就好。这里registerCallback的值是我们定义的Init函数。

Napi::Object Init(Napi::Env env, Napi::Object exports) {
  exports.Set(Napi::String::New(env, "hello"),
              Napi::Function::New(env, Method));
  return exports;
}

通过Set方法给exports定义属性,我们在js就可以访问对应的属性了。最后返回exports,exports是Object类型。但根据napi的接口定义。返回的类型应该是napi_value。我们看看node-addon-api是怎么做的。我们回到RegisterModule函数。

return napi_value(registerCallback(Napi::Env(env),  Napi::Object(env, exports)));

我们看到registerCallback执行后的返回值会被转成napi_value类型。那么Object类型是怎么自动转成napi_value类型的呢?我们一会分析。了解了node-addon-api的使用方式后,我们开始具体分析其中的设计。

我们先看看Env的设计。

class Env {
  public:
    Env(napi_env env);
    operator napi_env() const;

  private:
    napi_env _env;
};

inline Env::Env(napi_env env) : _env(env) {
}

// 类型重载
inline Env::operator napi_env() const {
  return _env;
}

我们只看核心的设计,忽略一些无关重要的细节。我们看到Env的设计很简单,就是对napi的napi_env的封装。接着我们看类型的设计。

class Value {
  public:
    Value();     
    Value(napi_env env,  napi_value value);  
    operator napi_value() const;
    Napi::Env Env() const;

  protected:
    napi_env _env;
    napi_value _value;
};

Value是node-addon-api的类型基类,类似V8里的设计。我们看到Value里面只有两个字段,env和_value。env就是我们刚才提到的Env。_value就是对napi类型的封装。Value类只是抽象的封装,不涉及到具体的逻辑。下面我们以自定义的Init函数为例,开始分析具体的逻辑。

Napi::Object Init(Napi::Env env, Napi::Object exports) {
  exports.Set(Napi::String::New(env, "hello"), Napi::Function::New(env, Method));
  return exports;
}

我们先看看String::New的实现。

class Name : public Value {
  public:
    Name();                     
    Name(napi_env env, napi_value value); 
};
  
class String : public Name {
  public:
   static String New(napi_env env, const char* value);
};

inline String String::New(napi_env env, const char* val) {
  napi_value value;
  napi_status status = napi_create_string_utf8(env, val, std::strlen(val), &value);
  NAPI_THROW_IF_FAILED(env, status, String());
  return String(env, value);
}

我们看到New的实现很简单,主要是对napi的封装。但有些细节还是需要注意的。 1 我们看到exports.Set函数的第一个参数是Env类型,但是New函数的第一个参数类型是napi_env,看起来不兼容。这个是如何自动转换的呢?因为Env类对napi_env类型进行了重载。

inline Env::operator napi_env() const {
  return _env;
}

我们看到当需要napi_env类型的时候,Env会返回_env,_env就是napi_env类型。 2 通过napi接口创建了值之后,最后返回的是一个String类型。我们看看String构造函数。

inline String::String(napi_env env, napi_value value) : Name(env, value) {}

inline Name::Name(napi_env env, napi_value value) : Value(env, value) {}

最后调用Value构造函数保存了napi返回的值。并且给调用方返回了一个String对象。我们看看exports.Set(Napi::String::New(env, “hello”), Napi::Function::New(env, Method))的时候是如何使用这个String对象的。exports是一个Object。Object和String的实现是类似的,他们都是继承Value类,在内部封装了napi_env和napi_value变量。所以我们看看Object::Set的实现。

template <typename ValueType>
inline bool Object::Set(napi_value key, const ValueType& value) {
  napi_status status = napi_set_property(_env, _value, key, Value::From(_env, value));
  NAPI_THROW_IF_FAILED(_env, status, false);
  return true;
}

_value的值是Object封装的napi_value对象,也就是一个V8 Object对象。然后通过napi_set_property设置对象的属性和值。同样我们发现Set函数的实参是String对象,但是型参是napi_value类型。这个和Env的自动转换是类似的,String继承了Value,而Value重载了类型napi_value。

inline Value::operator napi_value() const {
  return _value;
}

即返回了封装的napi_value变量。我们通过Set设置了一个属性hello,值是一个函数。

Napi::String Method(const Napi::CallbackInfo& info) {
  Napi::Env env = info.Env();
  return Napi::String::New(env, "world");
}

当我们在js层调用hello的时候,不会执行这个函数,而是先执行node-addon-api的代码,node-addon-api对napi的变量进行封装后,才会调用Method。所以我们看到Method的入参类型和napi的是不一样的。最后Method执行完返回的时候,同样是先回到node-addon-api。node-addon-api把Method的返回值(String对象)转成napi的格式后(napi_value)再返回到napi(这里比较复杂,目前还没有深入分析)。

至此我们看到了node-addon-api设计的基本思想如图所示。 大致的思想就是node-addon-api为我们封装了一层,当napi调用我们定义的内容时,会先经过node-addon-api。node-addon-api封装napi的入参后再调用我们自定义的内容。同样,我们返回内容给napi时,也会经过node-addon-api的封装再回到napi。比如我们在addon里创建一个数字时, 我们会执行Number New(napi_env env, double value);New会调用napi的napi_create_double创建一个napi_value变量。接着把napi_value的值封装到Number,最后返回一个Number给我们,后续我们调用Number的其他方法时,node-addon-api会从Number对象中拿到保存napi_value的值,再调用napi的api。这样我们只需要面对node-addon-api提供的接口而不需要理解napi。另外node-addon-api还做了一些运算符重载使得我们写代码更容易。比如对Object []的重载。

 Value operator []( const char* utf8name) const;

我们看看实现。

inline Value Object::operator [](const char* utf8name) const {
  return Get(utf8name);
}

inline Value Object::Get(const char* utf8name) const {
  napi_value result;
  napi_status status = napi_get_named_property(_env, _value, utf8name, &result);
  NAPI_THROW_IF_FAILED(_env, status, Value());
  return Value(_env, result);
}

这样我们就可以通过obj[‘name’]这种方式访问对象了。否则我们还需要像下面的方式访问。

napi_value value;
napi_status status = napi_get_named_property(_env, _value, key, &value);

如果大量这样的代码将会非常麻烦和低效。另外node-addon-api对类型进行了大量的重载,使得变量的类型转换得以自动进行不需要强制转换来转换去。比如我们可以直接执行以下代码。

int32_t num = Number对象;

因为Number对int32_t进行了重载。

inline Number::operator int32_t() const {
  return Int32Value();
}

inline int32_t Number::Int32Value() const {
  int32_t result;
  napi_status status = napi_get_value_int32(_env, _value, &result);
  NAPI_THROW_IF_FAILED(_env, status, 0);
  return result;
}

后记:本文大致分析了node-addon-api的实现原理和思想,实现的代码将近万行,虽然有很多类似的逻辑,但是也有些比较复杂的封装,有兴趣的同学可自行阅读。 .

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