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NodeJS和C++之间的类型转换

我非常喜欢使用 Node.js,但是当涉及到计算密集型的场景时 Node.js 就不能够很好地胜任了。而在这样的情况下 C++ 是一个很好的选择,非常幸运 Node.js 官方提供了C/C++ Addons 的机制让我们能够使用 V8 API 把 Node.js 和 C++ 结合起来。

作者:慎里来源:慎里|2016-12-20 16:35

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我非常喜欢使用 Node.js,但是当涉及到计算密集型的场景时 Node.js 就不能够很好地胜任了。而在这样的情况下 C++ 是一个很好的选择,非常幸运 Node.js 官方提供了C/C++ Addons 的机制让我们能够使用 V8 API 把 Node.js 和 C++ 结合起来。

虽然在 Node.js 官方网站有很多的关于怎么使用这些 API 的文档,但是在 JavaScript 和 C++ 之间传递数据是一件非常麻烦的事情,C++ 是强类型语言(”1024” 是字符串类型而不是整数类型),而 JavaScript 却总是默认的帮我们做一些类型转换。

JavaScript 的基本类型包括 String,Number,Boolean,null,undefined,V8 使用类继承的方式来定义这类型,这些类型都继承了 Primitive 类,而 Primitive 继承了 Value,v8 也支持整型(包括 Int32 和 Uint32),而所有的类型定义都可以从 V8 类型文档中看到,除了基本的类型,还有 Object,Array,Map 等类型的定义。

基本类型的继承关系如下图

在 V8 中所有 JavaScript 值都是被放在 Local 对象中,通过这个对象指定了 JavaScript 运行时的内存单元。

下面这段代定义了一个 Number 类型的值,其中 Test 函数中声明的 isolate 变量代表着 V8 虚拟机中的堆内存,当创建新变量的时候就需要用到它,接下来的一行代码就通过 isolate 声明了一个 Number 类型的变量。

  1. #include <node.h> 
  2. #include <v8.h> 
  3.  
  4. using namespace v8; 
  5.  
  6. void Test(const v8::FunctionCallbackInfo<v8::Value>& args) { 
  7.     Isolate* isolate = args.GetIsolate(); 
  8.     // 声明变量 
  9.     Local<Number> retval = v8::Number::New(isolate, 1000); 
  10.  
  11. void init(Local <Object> exports, Local<Object> module) { 
  12.     NODE_SET_METHOD(exports, "getTestValue", Test); 
  13.  
  14. NODE_MODULE(returnValue, init) 

看了 V8 类型 API 文档 你会发现对于基本的 JavaScript 类型,只有变量的声明而没有变量的赋值。最初想可能觉得这个非常的奇怪,可是仔细想一想后发现这个是合理的。主要由以下几点原因:

  • JavaScript 的基本类型是不可变类型,变量都是指向一个不可变的内存单元,var a = 10,则 a 指向的内存单元中包含的值为 5,重新赋值 a = 100,没有改变这个内存单元的值,而是使得 a 指向了另外一个内存单元,其中的值为 100。如果声明两个变量 x,y 的值都为 10,则他们指向的是同一个内存单元。

  • 函数的传参都是传值,而不是传引用,当在 JavaScript 中调用 C++ 的函数时,如果参数是基本类型则每次都是把这个值拷贝过去,改变参数的值不会影响原来的值。

  • 使用 Local<Value> 声明基本类型的变量都是对内存单元的引用,因为第一条原因不可能改变引用的值使其指向另外一个内存单元,因此不存在变量的重新赋值。

数据流向 C++ -> JavaScript

下面 demo 定义了一些常用的 JavaScript 类型,包括基本类型的以及 Object, Array, Fuction。

  1. #include <node.h> 
  2. #include <v8.h> 
  3.  
  4. using namespace v8; 
  5.  
  6. void MyFunction(const v8::FunctionCallbackInfo<Value>& args) { 
  7.     Isolate* isolate = args.GetIsolate(); 
  8.     args.GetReturnValue().Set(String::NewFromUtf8(isolate, "Hello World!")); 
  9.  
  10. void Test(const v8::FunctionCallbackInfo<v8::Value>& args) { 
  11.     Isolate* isolate = args.GetIsolate(); 
  12.  
  13.     // Number 类型的声明 
  14.     Local<Number> retval = v8::Number::New(isolate, 1000); 
  15.  
  16.     // String 类型的声明 
  17.     Local<String> str = v8::String::NewFromUtf8(isolate, "Hello World!"); 
  18.  
  19.     // Object 类型的声明 
  20.     Local<Object> obj = v8::Object::New(isolate); 
  21.     // 对象的赋值 
  22.     obj->Set(v8::String::NewFromUtf8(isolate, "arg1"), str); 
  23.     obj->Set(v8::String::NewFromUtf8(isolate, "arg2"), retval); 
  24.  
  25.     // Function 类型的声明并赋值 
  26.     Local<FunctionTemplate> tpl = v8::FunctionTemplate::New(isolate, MyFunction); 
  27.     Local<Function> fn = tpl->GetFunction(); 
  28.     // 函数名字 
  29.     fn->SetName(String::NewFromUtf8(isolate, "theFunction")); 
  30.     obj->Set(v8::String::NewFromUtf8(isolate, "arg3"), fn); 
  31.  
  32.     // Boolean 类型的声明 
  33.     Local<Boolean> flag = Boolean::New(isolate, true); 
  34.     obj->Set(String::NewFromUtf8(isolate, "arg4"), flag); 
  35.  
  36.     // Array 类型的声明 
  37.     Local<Array> arr = Array::New(isolate); 
  38.     // Array 赋值 
  39.     arr->Set(0, Number::New(isolate, 1)); 
  40.     arr->Set(1, Number::New(isolate, 10)); 
  41.     arr->Set(2, Number::New(isolate, 100)); 
  42.     arr->Set(3, Number::New(isolate, 1000)); 
  43.     obj->Set(String::NewFromUtf8(isolate, "arg5"), arr); 
  44.  
  45.     // Undefined 类型的声明 
  46.     Local<Value> und = Undefined(isolate); 
  47.     obj->Set(String::NewFromUtf8(isolate, "arg6"), und); 
  48.  
  49.     // null 类型的声明 
  50.     Local<Value> null = Null(isolate); 
  51.     obj->Set(String::NewFromUtf8(isolate, "arg7"), null); 
  52.  
  53.     // 返回给 JavaScript 调用时的返回值 
  54.     args.GetReturnValue().Set(obj); 
  55.  
  56. void init(Local <Object> exports, Local<Object> module) { 
  57.     NODE_SET_METHOD(exports, "getTestValue", Test); 
  58.  
  59. NODE_MODULE(returnValue, init) 

所有的 addon 都需要一个初始化的函数,如下面的代码:

void Initialize(Local<Object> exports);
NODE_MODULE(module_name, Initialize)

Initialize 是初始化的函数,module_name 是编译后产生的二进制文件名,上述代码的模块名为returnValue

上述代码通过 node-gyp 编译后(编译过程官方文档 C/C++ Addons 有详细的介绍),可以通过如下的方式调用。

// returnValue.node 这个文件就是编译后产生的文件,通过 NODE_MODULE(returnValue, init) 决定的文件名
const returnValue = require('./build/Release/returnValue.node');
console.log(returnValue.getTestValue());

运行结果如下:

数据流向 javaScript -> C++

上面的 demo 展示了怎样在在 C++ 定义 JavaScript 类型,数据的是从 C++ 流向 JavaScript,反过来数据也需要从 javaScript 流向 C++,也就是调用 C++ 函数的时候需要传入一些参数。

下面的代码展示了参数个数判断,参数类型判断,以及参数类型装换成 V8 类型的过程,包括基本类型以及 Object, Array, Fuction。

  1. #include <node.h> 
  2. #include <v8.h> 
  3. #include <iostream> 
  4.  
  5. using namespace v8; 
  6. using namespace std; 
  7.  
  8. void GetArgument(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) { 
  9.     Isolate* isolate = args.GetIsolate(); 
  10.  
  11.     // 参数长度判断 
  12.     if (args.Length() < 2) { 
  13.         isolate->ThrowException(Exception::TypeError( 
  14.             String::NewFromUtf8(isolate, "Wrong number of arguments"))); 
  15.         return
  16.     } 
  17.  
  18.     // 参数类型判断 
  19.     if (!args[0]->IsNumber() || !args[1]->IsNumber()) { 
  20.         //抛出错误 
  21.         isolate->ThrowException(Exception::TypeError( 
  22.             String::NewFromUtf8(isolate, "argumnets must be number"))); 
  23.     } 
  24.  
  25.     if (!args[0]->IsObject()) { 
  26.         printf("I am not Object\n"); 
  27.     } 
  28.  
  29.     if (!args[0]->IsBoolean()) { 
  30.         printf("I am not Boolean\n"); 
  31.     } 
  32.  
  33.     if (!args[0]->IsArray()) { 
  34.         printf("I am not Array\n"); 
  35.     } 
  36.  
  37.     if (!args[0]->IsString()) { 
  38.         printf("I am not String\n"); 
  39.     } 
  40.  
  41.     if (!args[0]->IsFunction()) { 
  42.         printf("I am not Function\n"); 
  43.     } 
  44.  
  45.     if (!args[0]->IsNull()) { 
  46.         printf("I am not Null\n"); 
  47.     } 
  48.  
  49.     if (!args[0]->IsUndefined()) { 
  50.         printf("I am not Undefined\n"); 
  51.     } 
  52.  
  53.     // js Number 类型转换成 v8 Number 类型 
  54.     Local<Number> value1 = Local<Number>::Cast(args[0]); 
  55.     Local<Number> value2 = Local<Number>::Cast(args[1]); 
  56.     double value = value1->NumberValue() + value2->NumberValue(); 
  57.  
  58.     // js String 类型转换成 v8 String 类型 
  59.     Local<String> str = Local<String>::Cast(args[2]); 
  60.     String::Utf8Value utfValue(str); 
  61.     cout<<string(*utfValue)<<endl; 
  62.  
  63.     // js Array 类型转换成 v8 Array 类型 
  64.     Local<Array> input_array = Local<Array>::Cast(args[3]); 
  65.     printf("%d, %f %f\n", input_array->Length(), input_array->Get(0)->NumberValue(), input_array->Get(1)->NumberValue()); 
  66.  
  67.     // js Object 类型转换成 v8 Object 类型 
  68.     Local<Object> obj = Local<Object>::Cast(args[4]); 
  69.  
  70.     // 根据 key 获取对象中的值 
  71.     Local<Value> a = obj->Get(String::NewFromUtf8(isolate, "a")); 
  72.     Local<Value> b = obj->Get(String::NewFromUtf8(isolate, "b")); 
  73.  
  74.     // js Array 类型转换成 v8 Array 类型 
  75.     Local<Array> c = Local<Array>::Cast(obj->Get(String::NewFromUtf8(isolate, "c"))); 
  76.     cout<<a->NumberValue()<<"   "<<b->NumberValue()<<endl; 
  77.     printf("%d, %f %f\n", c->Length(), c->Get(0)->NumberValue(), c->Get(1)->NumberValue()); 
  78.  
  79.     // js String 类型转换成 v8 String 类型 
  80.     Local<String> cString = Local<String>::Cast(c->Get(2)); 
  81.     String::Utf8Value utfValueD(cString); 
  82.     cout<<string(*utfValueD)<<endl; 
  83.  
  84.     // 根据 key 获取对象中的值 
  85.     Local<Object> d = Local<Object>::Cast(obj->Get(String::NewFromUtf8(isolate, "d"))); 
  86.     Local<String> dString1 = Local<String>::Cast(d->Get(String::NewFromUtf8(isolate, "m"))); 
  87.     String::Utf8Value utfValued1(dString1); 
  88.     cout<<string(*utfValued1)<<endl; 
  89.  
  90.     // 根据 key 获取对象中的值 
  91.     Local<String> dString2 = Local<String>::Cast(d->Get(String::NewFromUtf8(isolate, "n"))); 
  92.     String::Utf8Value utfValued2(dString2); 
  93.     cout<<string(*utfValued2)<<endl; 
  94.  
  95.     // js Booelan 类型转换成 v8 Boolean 类型 
  96.     Local<Boolean> FlagTrue = Local<Boolean>::Cast(args[5]); 
  97.     cout<<"Flag: "<<FlagTrue->BooleanValue()<<endl; 
  98.  
  99.     // js Function 类型转换成 v8 Function 类型 
  100.     Local<Function> cb = Local<Function>::Cast(args[8]); 
  101.     const unsigned argc = 2
  102.     Local<Value> argv[2]; 
  103.     argv[0] = a; 
  104.     argv[1] = b; 
  105.     cb->Call(Null(isolate), argc, argv); 
  106.  
  107.     args.GetReturnValue().Set(value); 
  108.  
  109. void Init(Local <Object> exports, Local <Object> module) { 
  110.     NODE_SET_METHOD(module, "exports", GetArgument); 
  111.  
  112. NODE_MODULE(argumentss, Init) 

通过 node-gyp 编译后,可以通过如下的方式调用。

  1. const getArguments = require('./build/Release/arguments'); 
  2.  
  3. console.log(getArguments(23'Hello Arguments', [123], { 
  4.         a: 10
  5.         b: 100
  6.         c: [2322"我是33"], 
  7.         d: { m: '我是22', n: '我是23' } 
  8.     }, truenull, undefined, 
  9.     function myFunction(...args) { 
  10.         console.log('I am Function!'); 
  11.         console.log(...args); 
  12.         console.log('I am Function!'); 
  13.     })); 

运行结果如下:

关于其他的类型,我这里就就不一一介绍,V8 文档里面都有对应的 API。

NAN

由于 V8 的 API 还没有彻底稳定下来,所以对于不同版本的 Node.js 类型相关的 API 会发生变化,而 NAN 帮我们做了封装,在编码的时候不需要关心版本问题,只需要引入相应的头文件即可。

引入头文件后,可以如下使用方式:

v8::Local<v8::Primitive> Nan::Undefined()
v8::Local<v8::Primitive> Nan::Null()

参考资料

【责任编辑:seeker TEL:(010)68476606】

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