nodejs中實現sleep功能執行個體_node.js

nodejs最讓人不爽的就是其單線程特性，很多事情沒法做，對CPU密集型的情境，效能也不夠強勁。很長一段時間，我想在javascript語言架構下尋求一些解決方案，解決無法操作線程、效能差的問題。曾經最讓我印象深刻的方案是fibers，不過fibers也好，其他方案也好，線上程操作上還是很彆扭，太過依賴輔助線程，本末倒置；就fiber而言，javascript固有的低效能問題並不能解決；最彆扭的是在javascript語言架構下，線程間的訊息傳遞常常很受限制，經常無法真正地共用對象。

nodejs的addon方式無疑是極好的，具有極強的靈活性、完備的功能和原生代碼的效能。簡單說就是讓nodejs直接調用c/c++模組，是一種javascript和native的混合開發模式。好東西呀，為什麼不用呢？addon應該算是一個大話題，今天我也不想太深入說這個，我自己的實踐也不是很多。那就實現一個sleep函數，就當是拋磚引玉吧。

sleep

為什麼javascript實現不了真正的sleep？sleep方法是通過向作業系統核心註冊一個訊號，指定時間後發送喚醒訊號，而線程本身則掛起。本質上當線程 sleep(1000) 代表告訴作業系統：1000ms內不要給我分配CPU時間。所以sleep能保證線程掛起時不再佔用CPU資源。而javascript是單線程運行，本身取消了線程的概念，自然沒有辦法將主線程掛起中斷。

也有人會嘗試用javascript方法要實現sleep，例如這樣：

複製代碼 代碼如下:

function sleep(sleepTime) {
    for(var start = +new Date; +new Date - start <= sleepTime; ) { }
}

這是採用空迴圈阻塞住主進程的運行來實現sleep，明顯跟真正的sleep相去甚遠。

那麼如果實現一個真正的sleep呢？

環境準備

開發環境

之前我的一些部落格已經說過，這裡從略：node.js+npm、python 2.7、visual studio/ x-code。

 編譯工具

編譯工具需要採用node-gyp，較新版本的nodejs內建此庫，如果沒有內建node-gyp，請執行：

複製代碼 代碼如下:

npm install -g node-gyp

 gyp特性我沒有精力去研究，如果你比較熟悉gcc等其他編譯器，不排除gyp會有不相容之處，而且編譯選項和開關也是不盡相同。建議針對nodejs重新編寫c++代碼，如果確實有模組需要複用，可以考慮先用熟悉的gcc編譯成動態連結程式庫，再編寫少量代碼來使用動態連結程式庫，再把這部分代碼用gyp編譯出來供nodejs使用。

進入專案檔夾，執行 npm init 初始化項目。為了讓nodejs知道我們想製作addon，我們需要在package.json中添加：

複製代碼 代碼如下:

"gyp-file": true

如果使用過gcc，那麼你一定記得makefile。類似的，gyp也是通過一個檔案來描述編譯配置，這個檔案為binding.gyp，它是一個我們非常熟悉的json檔案。gyp不是我們探討的重點，所以binding.gyp也不會深入探究，我們只關注最重要的一些配置項。以下是一份簡單但完整的binding.gyp檔案樣本：

複製代碼 代碼如下:

{
  "targets": [
    {
      "target_name": "hello",
      "sources": [ "hello.cc" ],
      "include_dirs": [
        "<!(node -e \"require('nan')\")"
      ]
    }
  ]
}

就看看這裡面涉及的三個配置項：

1.target_name：表示輸出出來的模組名。
2.sources：表示需要編譯的原始碼路徑，這是一個數組。
3.include_dirs：表示編譯過程中要用到的目錄，這些目錄中的標頭檔可以在先行編譯指令 #include 搜尋到。在這裡使用了一個比較特殊的寫法，沒有把路徑用字串常量給出，而是運行一個命令 node -e "require('nan')" ，nan庫後面再說，先看看這個命令輸出什麼： node_modules\nan ，原來這句命令的意思是返回nan庫的路徑。

C++編碼

OK，既然已經配置了原始碼是hello.cc，那就建立一個這樣的檔案。有一個問題需要提前提醒大家，我們所寫的c++模組最終是要被v8引擎使用，所以api、寫法等受到v8引擎的制約。而不同版本的nodejs其實採用的v8引擎的版本也不盡相同，這也就意味著很難用一套c++代碼滿足不同版本的nodejs（指編譯過程，編譯完成後跨版本應該能夠使用，沒有驗證過。github不能上傳二進位類庫，所以github上開源會有麻煩。npm可以直接上傳二進位類庫，跳過編譯步驟，所以問題相對較小）。

node 0.11及以上版本：

複製代碼 代碼如下:

#include <node.h>
#include <v8.h>

using namespace v8;

void SleepFunc(const v8::FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
  Isolate* isolate = Isolate::GetCurrent();
  HandleScope scope(isolate);
  double arg0 = args[0] -> NumberValue();
  Sleep(arg0);
}

void Init(Handle<Object> exports) {
  Isolate* isolate = Isolate::GetCurrent();
  exports->Set(String::NewFromUtf8(isolate, "sleep"),
      FunctionTemplate::New(isolate, SleepFunc)->GetFunction());
}

NODE_MODULE(hello, Init);

node 0.10及以下版本：

複製代碼 代碼如下:

#include <node.h>
#include <v8.h>

using namespace v8;

Handle<Value> SleepFun(const Arguments& args) {
  HandleScope scope; 
  double arg0 = args[0] -> NumberValue();
  Sleep(arg0);
  return scope.Close(Undefined());
}

void Init(Handle<Object> exports) {
  exports->Set(String::NewSymbol("sleep"),
      FunctionTemplate::New(SleepFun)->GetFunction());
}

NODE_MODULE(hello, Init);

可以看出，變化還是相當大的，如果能屏蔽這些差異就太好了，有辦法了？我寫這麼多還不就是想告訴你有辦法。是時候請出nan庫了。

nan

還記得在binding.gyp中，我們引入nan庫的路徑，就是要在這裡用。nan庫是幹嘛的呢？它提供了一層抽象，屏蔽了nodejs 0.8、nodejs 0.10、nodejs 0.12、io.js之前addon的文法差異。贊！

先安裝： npm install --save nan ，看看同樣的功能，用了nan後如何?：

複製代碼 代碼如下:

#include <nan.h>
using namespace v8;

NAN_METHOD(Sleep){
    NanScope();
    double arg0=args[0]->NumberValue();
    Sleep(arg0);
    NanReturnUndefined();
}

void Init(Handle<Object> exports){
    exports->Set(NanSymbol("sleep"), FunctionTemplate::New(Sleep)->GetFunction());
}

NODE_MODULE(hello, Init);

你需要瞭解的就是nan這套東西，至於v8的那一套就可以不用關注。

從下往上看：

複製代碼 代碼如下:

NODE_MODULE(hello, Init);

 這句定義addon的入口。注意第一個參數要與我們在binding.gyp中target_name一項一致。第二個參數就是addon的入口函數。
 

複製代碼 代碼如下:

 void Init(Handle<Object> exports){
    exports->Set(NanSymbol("sleep"), FunctionTemplate::New(Sleep)->GetFunction());
}
 

 這段代碼就是addon的入口方法。它接收兩個參數，分別是exports和module。上面的樣本省略了第二個參數。如果模組提供一個對象，可以像樣本中那個，直接給exports指定要提供的key-value；如果特殊一點，僅提供一個數值，或一個函數，則需要用到第二個參數，類似於 NODE_SET_METHOD(module, "exports", foo); 。這個樣本中是表示要輸出這樣一個模組：

複製代碼 代碼如下:

{
    "sleep": Sleep
}

Sleep是一個函數，下來就來看看Sleep的定義：

複製代碼 代碼如下:

NAN_METHOD(Sleep){
    NanScope();
    double arg0=args[0]->NumberValue();
    Sleep(arg0);
    NanReturnUndefined();
}

其實就是讀取javascript傳入的參數，轉成double型，再調用c++的sleep方法。

編譯addon

下面就要開始編譯這個模組了。首先執行 node-gyp configure 來進行構建前準備工作，它會產生一個build檔案夾和一些檔案。接下來運行 node-gyp build 就可以開始編譯了。在這個樣本中，最終會在/build/Release/目錄下產生一個hello.node檔案，這就是最終能被javascript引用的addon模組了。

如果後續對c++代碼有修改，就不用再運行 node-gyp configure ，直接運行 node-gyp build 就好。

nodejs使用

建立一個index.js，看看怎麼用這個模組吧：

複製代碼 代碼如下:

var sleep=require('./build/Release/hello.node').sleep;

console.log(new Date);
sleep(1000);
console.log(new Date);

// result
// Wed Mar 04 2015 14:55:18 GMT+0800 (中國標準時間)
// Wed Mar 04 2015 14:55:19 GMT+0800 (中國標準時間)       

很容易吧，跟普通的javascript函數的使用方式一模一樣。

至此本文想要分享的技術要點已經闡述完了。不過……究竟跟開篇提供的方法比起來有什麼不一樣？我不截圖了，直接說明結果：

由於addon方式採用的方法是線程掛起，理論上不會有CPU佔用和記憶體變化，結果也是驗證了這一點。再看javascript迴圈類比sleep的方式，因為一直在跑迴圈，記憶體增加一點可以理解，沒什麼大不了；再看CPU佔用25%，似乎還算過得去。真的是這樣嗎？揭露真相的時候到了。我測試的膝上型電腦的CPU是雙核四線程，再結合25%的CPU佔用……難道雙核四線程中有一個線程就被這個sleep給佔用了？其實我發現這期間並沒有一個線程被鎖死，不過這不是javascript的功勞，而是intel超執行緒的功勞。因為說是四線程，其實本質是兩個處理核心只能是雙線程，只是cpu做了一個時間片切割上的小把戲。例如核心cpu01分成了t0和t2，假設在n tick（調度周期）後的一個tick內，任務會分到t0，那麼在再後面一個tick，任務會分到t2。所以從一個比較長的時間尺度（相對於調度周期），一個任務在t0和t2上啟動並執行時間基本是相當的。於是呈現出來的情景是nodejs的進程沒有佔用t0或t2到100%，而是分別佔用了50%上下。由於windows的進程調度相對比較複雜，所以CPU佔用量上下浮動很大。可以這樣預測，如果是雙核雙線程的CPU來處理這個指令碼，CPU佔用會上升到50%，並且一個核心卡死。如果是單核CPU來處理，CPU一下子會上升到100%。

好像CPU這段說得有點多，超執行緒那些也是猜測，各位看看就好。