libuv基礎 · libuv 中文教程

#Basics of libuv libuv強制使用異步的，事件驅動的編程風格。它的核心工作是提供一個event-loop，還有基于I/O和其它事件通知的回調函數。libuv還提供了一些核心工具，例如定時器，非阻塞的網絡支持，異步文件系統訪問，子進程等。 ##Event loops 在事件驅動編程中，程序會關注每一個事件，并且對每一個事件的發生做出反應。libuv會負責將來自操作系統的事件收集起來，或者監視其他來源的事件。這樣，用戶就可以注冊回調函數，回調函數會在事件發生的時候被調用。event-loop會一直保持運行狀態。用偽代碼描述如下： ```c while there are still events to process: e = get the next event if there is a callback associated with e: call the callback ``` 舉幾個事件的例子： >* 準備好被寫入的文件。 >* 包含準備被讀取的數據的socket。 >* 超時的定時器。 event-loop最終會被`uv_run()`啟動－當使用libuv時，最后都會調用的函數。系統編程中最經常處理的一般是輸入和輸出，而不是一大堆的數據處理。問題在于傳統的輸入／輸出函數(例如`read`，`fprintf`)都是阻塞式的。實際上，向文件寫入數據，從網絡讀取數據所花的時間，對比cpu的處理速度差得太多。任務沒有完成，函數是不會返回的，所以你的程序在這段時間內什么也做不了。對于需要高性能的的程序來說，這是一個主要的障礙。其中一個標準的解決方案是使用多線程。每一個阻塞的I/O操作都會被分配到各個線程中（或者是使用線程池）。當某個線程一旦阻塞，處理器就可以調度處理其他需要cpu資源的線程。但是libuv使用了另外一個解決方案，那就是異步，非阻塞。大多數的現代操作系統提供了基于事件通知的子系統。例如，一個正常的socket上的`read`調用會發生阻塞，直到發送方把信息發送過來。但是，實際上程序可以請求操作系統監視socket事件的到來，并將這個事件通知放到事件隊列中。這樣，程序就可以很簡單地檢查事件是否到來（可能此時正在使用cpu做數值處理的運算），并及時地獲取數據。說libuv是異步的，是因為程序可以在一頭表達對某一事件的興趣，并在另一頭獲取到數據（對于時間或是空間來說）。它是非阻塞是因為應用程序無需在請求數據后等待，可以自由地做其他的事。libuv的事件循環方式很好地與該模型匹配, 因為操作系統事件可以視為另外一種libuv事件. 非阻塞方式可以保證在其他事件到來時被盡快處理（當然還要考慮硬件的能力）。 #####Note >我們不需要關心I/O在后臺是如何工作的，但是由于我們的計算機硬件的工作方式，線程是處理器最基本的執行單元，libuv和操作系統通常會運行后臺/工作者線程, 或者采用非阻塞方式來輪流執行任務。 Bert Belder，一個libuv的核心開發者，通過一個短視頻向我們解釋了libuv的架構和它的后臺工作方式。如果你之前沒有接觸過類似libuv，libev，這個視頻會非常有用。視頻的網址是https://youtu.be/nGn60vDSxQ4 。包含了libuv的event-loop的更多詳細信息的[文檔](http://docs.libuv.org/en/v1.x/design.html#the-i-o-loop)。 ##HELLO WORLD 讓我們開始寫第一個libuv程序吧！它什么都沒做，只是開啟了一個loop，然后很快地退出了。 ####helloworld/main.c ```c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <uv.h> int main() { uv_loop_t *loop = malloc(sizeof(uv_loop_t)); uv_loop_init(loop); printf("Now quitting.\n"); uv_run(loop, UV_RUN_DEFAULT); uv_loop_close(loop); free(loop); return 0; } ``` 這個程序會很快就退出了，因為沒有可以很處理的事件。我們可以使用各種API函數來告訴event-loop我們要監視的事件。從libuv的1.0版本開始，用戶就可以在使用`uv_loop_init`初始化loop之前，給其分配相應的內存。這就允許你植入自定義的內存管理方法。記住要使用`uv_loop_close(uv_loop_t *)`關閉loop，然后再回收內存空間。在例子中，程序退出的時候會關閉loop，系統也會自動回收內存。對于長時間運行的程序來說，合理釋放內存很重要。 ###Default loop 可以使用`uv_default_loop`獲取libuv提供的默認loop。如果你只需要一個loop的話，可以使用這個。 #####Note >nodejs中使用了默認的loop作為自己的主loop。如果你在編寫nodejs的綁定，你應該注意一下。 ##Error handling 初始化函數或者是同步執行的函數，會在執行失敗后返回代表錯誤的負數。但是對于異步執行的函數，會在執行失敗的時候，給它們的回調函數傳遞一個狀態參數。錯誤信息被定義為`UV_E`[常量](http://docs.libuv.org/en/v1.x/errors.html#error-constants)。你可以使用`uv_strerror(int)`和`uv_err_name(int)`分別獲取`const char *`格式的錯誤信息和錯誤名字。 I/O函數的回調函數（例如文件和socket等）會被傳遞一個`nread`參數。如果`nread`小于0，就代表出現了錯誤（當然，UV_EOF是讀取到文件末端的錯誤，你要特殊處理）。 ##Handles and Requests libuv的工作建立在用戶表達對特定事件的興趣。這通常通過創造對應I/O設備，定時器，進程等的handle來實現。handle是不透明的數據結構，其中對應的類型`uv_TYPE_t`中的type指定了handle的使用目的。 ####libuv watchers ```c /* Handle types. */ typedef struct uv_loop_s uv_loop_t; typedef struct uv_handle_s uv_handle_t; typedef struct uv_stream_s uv_stream_t; typedef struct uv_tcp_s uv_tcp_t; typedef struct uv_udp_s uv_udp_t; typedef struct uv_pipe_s uv_pipe_t; typedef struct uv_tty_s uv_tty_t; typedef struct uv_poll_s uv_poll_t; typedef struct uv_timer_s uv_timer_t; typedef struct uv_prepare_s uv_prepare_t; typedef struct uv_check_s uv_check_t; typedef struct uv_idle_s uv_idle_t; typedef struct uv_async_s uv_async_t; typedef struct uv_process_s uv_process_t; typedef struct uv_fs_event_s uv_fs_event_t; typedef struct uv_fs_poll_s uv_fs_poll_t; typedef struct uv_signal_s uv_signal_t; /* Request types. */ typedef struct uv_req_s uv_req_t; typedef struct uv_getaddrinfo_s uv_getaddrinfo_t; typedef struct uv_getnameinfo_s uv_getnameinfo_t; typedef struct uv_shutdown_s uv_shutdown_t; typedef struct uv_write_s uv_write_t; typedef struct uv_connect_s uv_connect_t; typedef struct uv_udp_send_s uv_udp_send_t; typedef struct uv_fs_s uv_fs_t; typedef struct uv_work_s uv_work_t; /* None of the above. */ typedef struct uv_cpu_info_s uv_cpu_info_t; typedef struct uv_interface_address_s uv_interface_address_t; typedef struct uv_dirent_s uv_dirent_t; ``` handle代表了持久性對象。在異步的操作中，相應的handle上有許多與之關聯的request。request是短暫性對象（通常只維持在一個回調函數的時間），通常對映著handle上的一個I/O操作。request用來在初始函數和回調函數之間，傳遞上下文。例如uv_udp_t代表了一個udp的socket，然而，對于每一個向socket的寫入的完成后，都會向回調函數傳遞一個`uv_udp_send_t`。 handle可以通過下面的函數設置： ```c uv_TYPE_init(uv_loop_t *, uv_TYPE_t *) ``` 回調函數是libuv所關注的事件發生后，所調用的函數。應用程序的特定邏輯會在回調函數中實現。例如，一個IO監視器的回調函數會接收到從文件讀取到的數據，一個定時器的回調函數會在超時后被觸發等等。 ###Idling 下面有一個使用空轉handle的例子。回調函數在每一個循環中都會被調用。在Utilities這部分會講到一些空轉handle的使用場景。現在讓我們使用一個空轉監視器，然后來觀察它的生命周期，接著看`uv_run`調用是否會造成阻塞。當達到事先規定好的計數后，空轉監視器會退出。因為`uv_run`已經找不到活著的事件監視器了，所以`uv_run()`也退出。 ####idle-basic/main.c ```c #include <stdio.h> #include <uv.h> int64_t counter = 0; void wait_for_a_while(uv_idle_t* handle) { counter++; if (counter >= 10e6) uv_idle_stop(handle); } int main() { uv_idle_t idler; uv_idle_init(uv_default_loop(), &idler); uv_idle_start(&idler, wait_for_a_while); printf("Idling...\n"); uv_run(uv_default_loop(), UV_RUN_DEFAULT); uv_loop_close(uv_default_loop()); return 0; } ``` ###Storing context 在基于回調函數的編程風格中，你可能會需要在調用處和回調函數之間，傳遞一些上下文等特定的應用信息。所有的handle和request都有一個`data`域，可以用來存儲信息并傳遞。這是一個c語言庫中很常見的模式。即使是`uv_loop_t`也有一個相似的`data`域。