Node.js 中的 Libuv

Libuv 是 Node.js 的一个基础部分，它驱动着事件循环并提供异步 I/O 操作。Libuv 是一个高性能的库，旨在一次管理多个连接，并简化可伸缩网络应用程序的创建。在本文中，我们将深入探讨 libuv 的领域，检查它在 Node.js 中的使用以及其功能的内在工作原理。我们还将讨论 Node.js 的内部工作原理以及 libuv 如何融入更广泛的 Node.js 生态系统。

什么是 Libuv？

Libuv 是一个跨平台 C 库，支持基于事件的异步输入/输出。由于其有效性和速度，它最初是为了 Node.js 管理事件驱动架构而创建的，但后来也被其他项目采用。Libuv 的主要特点包括：

• 事件循环
• 异步文件和文件系统操作
• 异步 TCP 和 UDP 套接字
• 子进程
• 线程池
• 定时器、信号和轮询

通过处理所有这些功能，libuv 使 Node.js 能够作为一个单线程、非阻塞、事件驱动的平台工作。

Libuv 在 Node.js 中的作用

V8 JavaScript 引擎执行 JavaScript 代码，Node.js 基于此构建。然而，Node.js 通过提供网络、I/O 和其他系统功能的 API 来扩展 V8 引擎的能力。没有 Libuv，这种扩展是不可能实现的，Libuv 为事件循环提供动力并管理异步 I/O 操作。

异步 I/O

由于 Libuv 提供非阻塞 I/O 操作，Node.js 可以同时管理多个任务，而无需等待一个任务完成。这通过回调、事件驱动编程和工作线程池的协同工作来实现。

Libuv 的架构

Libuv 的架构由几个部分组成，它们结合在一起以实现有效的异步 I/O 操作。主要组成部分包括：

句柄和请求

libuv 用于表示和控制不同 I/O 活动的两个主要数据结构是句柄 (handles) 和请求 (requests)。

句柄 表示与特定类型的资源（如定时器或 TCP 连接）相关联的长期存在的对象。它们负责监控资源的生命周期和状态。

另一方面，请求 代表临时操作，例如打开文件或从套接字读取。它们通常在操作期间创建和销毁，并用于执行特定任务。

事件循环

事件循环是 Node.js 异步功能的核心。它不断检查事件（例如定时器、信号和 I/O 操作），然后调用相应的回调或事件处理程序。Libuv 负责在 Node.js 中实现和管理事件循环。它被分解成多个阶段，每个阶段处理特定类型的事件：

• 定时器： 定时器执行为当前时间设置的回调。
• 待处理回调： 执行已完成 I/O 操作的回调。
• 轮询： 等待并检查新事件。
• 检查： 在轮询阶段之后，执行检查回调。
• 关闭回调执行由句柄关闭引起的回调。
• 事件循环会反复遍历这些阶段，以确保每个事件都得到处理，并且相应的回调都被执行。

Libuv 使用工作线程池来委托可能阻塞事件循环的某些输入/输出任务，例如文件系统和 DNS 操作。由于线程池，Node.js 能够响应用户请求，并允许这些异步活动在不干扰主事件循环的情况下执行。

工作线程池

为了理解 libuv 在 Node.js 中的工作原理，让我们看一个简单的例子。假设我们想在读取文件内容后通过 TCP 连接发送该文件。我们可以使用以下代码来实现这一点，该代码利用了 libuv 和 Node.js。

示例

输出

 
Server listening on port 3000   

说明

在此示例中，libuv 负责 TCP 服务器的事件循环和异步文件读取操作。当建立连接时，文件内容会被传输过去，而不会阻塞其他 I/O 操作。

I/O 循环：由于事件或 I/O 循环使用异步、单线程 I/O 方法，因此它与单个线程相关联。要运行多个事件循环，每个循环必须在一个单独的线程上执行。虽然有一些例外，但它默认不是线程安全的。

Libuv 维护一个事件多路复用器和队列。对于每个请求，循环会发出一个事件，同时监听传入的 I/O。然后，请求被分配给特定的处理程序（取决于操作系统）。成功执行后，注册的回调被放入事件队列中，然后逐个执行。

示例：当发出网络请求时，为该请求注册一个回调，并将该任务分配给处理程序。在完成过程中，其他操作会继续进行。成功执行或终止后，注册的回调会被排入事件队列，在队列中已有的先前回调执行完毕后。之后，主线程执行该回调。

为了确保最佳的兼容性和速度，它利用了前面描述的特定于平台的机制：Linux 的 epoll、macOS 的 kqueue、Windows 的 IOCP 和 SunOS 的事件端口。

文件 I/O：Libuv 使用一个全局线程池来提供文件 I/O，允许所有循环为它排队工作。通过它的帮助，可以异步地抽象化磁盘使用。它将复杂的操作分解成更简单的操作，以实现类异步的行为。

示例：通常，如果软件要求我们将一个缓冲区写入特定文件，I/O 将被阻塞直到操作完成或成功。然而，libuv 通过实现一个事件通知来以异步方式抽象化这一点，该通知将在操作完成后通知用户其成功或失败；在此期间，其他 I/O 操作可以顺利完成。

与事件循环不同，文件 I/O 利用平台无关的技术。文件 I/O 管理三种不同类型的异步磁盘 API：

1. Linux AIO（内核支持）
2. POSIX AIO（与 Solaris、AIX、BSD、Mac OS X 等兼容）
3. Windows 的 I/O 重叠

好处

• Libuv 中执行异步磁盘操作。
• 可以将更简单的磁盘操作分解成更高级别的过程，以辅助信息校正。
• 当磁盘线程执行 readv 和 writev 等向量操作时，可以提供更多缓冲区。