关于c++:如何写一个简单的nodejs-c扩展

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node 是由 c++ 编写的，外围的 node 模块也都是由 c++ 代码来实现，所以同样 node 也凋谢了让使用者编写 c++ 扩大来实现一些操作的窗口。
如果大家对于 require 函数的形容还有印象的话，就会记得如果不写文件后缀，它是有一个特定的匹配规定的：

LOAD_AS_FILE(X)
1. If X is a file, load X as its file extension format. STOP
2. If X.js is a file, load X.js as JavaScript text. STOP
3. If X.json is a file, parse X.json to a JavaScript Object. STOP
4. If X.node is a file, load X.node as binary addon. STOP

能够看到，最初会匹配一个 .node，而后边的形容也示意该后缀的文件为一个二进制的资源。
而这个 .node 文件个别就会是咱们所编译好的 c++ 扩大了。

为什么要写 c++ 扩大

能够简略了解为，如果想基于 node 写一些代码，做一些事件，那么有这么几种抉择：

  1. 写一段 JS 代码，而后 require 执行
  2. 写一段 c++ 代码，编译后 require 执行
  3. 关上 node 源码，把你想要的代码写进去，而后从新编译

日常的开发其实只用第一项就够了，咱们用本人相熟的语言，写一段相熟的代码，而后公布在 NPM 之类的平台上，其余有雷同需要的人就能够下载咱们上传的包，而后在 TA 的我的项目中应用。
但有的时候可能纯正写 JS 满足不了咱们的需要，兴许是工期赶不上，兴许是执行效率不让人称心，也有可能是语言限度。
所以咱们会采纳间接编写一些 c++ 代码，来创立一个 c++ 扩大让 node 来加载并执行。
况且如果曾经有了 c++ 版本的轮子，咱们通过扩大的形式来调用执行而不是本人从头实现一套，也是防止反复造轮子的办法。

一个简略的例子，如果大家接触过 webpack 并且用过 sass 的话，那么在装置的过程中很可能会遇到各种各样的报错问题，兴许会看到 gyp 的关键字，其实起因就是 sass 外部有应用一些 c++ 扩大来辅助实现一些操作，而 gyp 就是用来编译 c++ 扩大的一种工具。

https://github.com/sass/node-sass

当然，上边也提到了还有第三种操作方法，咱们能够间接魔改 node 源码，然而如果你只是想要写一些原生 JS 实现起来没有那么美妙的模块，那么是没有必要去魔改源码的，毕竟改完了当前还要编译，如果其他人须要用你的逻辑，还须要装置你所编译好的非凡版本。
这样的操作时很不易于流传的，大家不会想应用 sass 就须要装置一个 sass 版本的 node 吧。
就像为了看星战还要专门下载一个优酷 - -。

简略总结一下，写 c++ 的扩大大略有这么几个益处：

  1. 能够复用 node 的模块管理机制
  2. 有比 JS 更高效的执行效率
  3. 有更多的 c++ 版本的轮子能够拿来用

怎么去写一个简略的扩大

node 从问世到当初曾经走过了 11 年，通过晚期的材料、博客等各种信息渠道能够看到之前开发一个 c++ 扩大并不是很容易，但通过了这么些年迭代，各种大佬们的致力，咱们再去编写一个 c++ 扩大曾经是比拟轻松的事件了。
这里直入正题，放出明天比拟要害的一个工具：node-addon-api module
以及这里是官网提供的各种简略 demo 来让大家相熟这是一个什么样的工具：node-addon-examples

须要留神的一点是，demo 目录下会分为三个子目录，在 readme 中也有写，别离是三种不同的 c++ 扩大的写法（基于不同的工具）。
咱们本次介绍的是在 node-addon-api 目录下的，算是三种里边最为易用的一种了。

首先是咱们比拟相熟的 package.json 文件，咱们须要依赖两个组件来实现开发，别离是 bindings 和 node-addon-api。

而后咱们还须要简略理解一下 gyp 的用法，因为编译一个 c++ 扩大须要用到它。
就像 helloworld 示例中的 binding.gyp 文件示例：

{
  "targets": [
    {
      // 导出的文件名
      "target_name": "hello",
      // 编译标识的定义 禁用异样机制（留神感叹号示意排除过滤）"cflags!": ["-fno-exceptions"],
      // c++ 编译标识的定义 禁用异样机制（留神感叹号示意排除过滤，也就是 c++ 编译器会去除该标识）"cflags_cc!": ["-fno-exceptions"],
      // 源码入口文件
      "sources": ["hello.cc"],
      // 源码蕴含的目录
      "include_dirs": [// 这里示意一段 shell 的运行，用来获取 node-addon-api 的一些参数，有趣味的老铁能够自行 node -p "require('node-addon-api').include" 来看成果
        "<!@(node -p \"require('node-addon-api').include\")"
      ],
      // 环境变量的定义
      'defines': ['NAPI_DISABLE_CPP_EXCEPTIONS'],
    }
  ]
}

gyp 的语法挺多的，这次并不是独自针对 gyp 的一次记录，所以就不过多的介绍。

从最简略的数字相加来实现

而后咱们来实现一个简略的创立一个函数，让两个参数相加，并返回后果。

源码地位：https://github.com/Jiasm/node…

咱们须要这样的一个 binding.gyp 文件：

{
  "targets": [
    {
      "target_name": "add",
      "cflags!": ["-fno-exceptions"],
      "cflags_cc!": ["-fno-exceptions"],
      "sources": ["add.cc"],
      "include_dirs": ["<!@(node -p \"require('node-addon-api').include\")"
      ],
      'defines': ['NAPI_DISABLE_CPP_EXCEPTIONS'],
    }
  ]
}

而后咱们在我的项目根目录创立 package.json 文件，并装置 bindings 和 node-addon-api 两个依赖。

接下来就是去编写咱们的 c++ 代码了：

#include <napi.h>

// 定义 Add 函数
Napi::Value Add(const Napi::CallbackInfo& info) {Napi::Env env = info.Env();

  // 接管第一个参数
  double arg0 = info[0].As<Napi::Number>().DoubleValue();
  // 接管第二个参数
  double arg1 = info[1].As<Napi::Number>().DoubleValue();
  // 将两个参数相加并返回
  Napi::Number num = Napi::Number::New(env, arg0 + arg1);

  return num;
}

// 入口函数，用于注册咱们的函数、对象等等
Napi::Object Init(Napi::Env env, Napi::Object exports) {
  // 将一个名为 add 的函数挂载到 exports 上
  exports.Set(Napi::String::New(env, "add"), Napi::Function::New(env, Add));
  return exports;
}

// 固定的宏应用
NODE_API_MODULE(addon, Init)

在 c++ 代码实现当前就是须要用到 node-gyp 的时候了，倡议全局装置 node-gyp，防止一个我的项目中呈现多个 node_modules 目录的时候应用 npx 会呈现一些不可意料的问题：

> npm i -g node-gyp
# 生成构建文件
> node-gyp configure
# 构建
> node-gyp build

这时候你会发现我的项目目录下曾经生成了一个名为 add.node 的文件，就是咱们在 binding.gyp 里边的 target_name 所设置的值了。
最初咱们就是要写一段 JS 代码来调用所生成的 .node 文件了：

const {add} = require('bindings')('add.node')

console.log(add(1, 2))     // 3
console.log(add(0.1, 0.2)) // 相熟的 0.3XXXXX

实现一个函数柯里化

接下来咱们来整点好玩的，实现一个前端的高频考题，如何实现一个函数柯里化，定义如下：

add(1)(2)(3) // => 6
add(1, 2, 3) // => 6

源码地位：https://github.com/Jiasm/node…

咱们会用到的一些技术点：

  • 如何在 c++ 函数中返回一个函数供 JS 调用
  • 如何让返回值既反对函数调用又反对取值操作
  • 如何解决非固定数量的参数（其实这个很简略了，从上边也能看进去，自身就是一个数组）

不再赘述 binding.gyp 与 package.json 的配置，咱们间接上 c++ 代码：

#include <napi.h>

// 用来笼罩 valueOf 实现的函数
Napi::Value GetValue(const Napi::CallbackInfo& info) {Napi::Env env = info.Env();

  // 获取咱们在创立 valueOf 函数的时候传入的 result
  double* storageData = reinterpret_cast<double*>(info.Data());

  // 防止空指针状况
  if (storageData == NULL) {return Napi::Number::New(env, 0);
  } else {return Napi::Number::New(env, *storageData);
  }

}

Napi::Function CurryAdd(const Napi::CallbackInfo& info) {Napi::Env env = info.Env();

  // 获取咱们下边在创立 curryAdd 函数的时候传入的 result
  double* storageData = reinterpret_cast<double*>(info.Data());

  double* result = new double;

  // 遍历传入的所有参数
  long len, index;
  for (len = info.Length(), index = 0; index < len; index++) {double arg = info[index].As<Napi::Number>().DoubleValue();

    *result += arg;
  }

  // 用于屡次的计算
  if (storageData != NULL) {*result += *storageData;}

  // 创立一个新的函数用于函数的返回值
  Napi::Function fn = Napi::Function::New(env, CurryAdd, "curryAdd", result);

  // 篡改 valueOf 办法，用于输入后果
  fn.Set("valueOf", Napi::Function::New(env, GetValue, "valueOf", result));

  return fn;
}

Napi::Object Init(Napi::Env env, Napi::Object exports) {Napi::Function fn = Napi::Function::New(env, CurryAdd, "curryAdd");

  exports.Set(Napi::String::New(env, "curryAdd"), fn);

  return exports;
}

NODE_API_MODULE(curryadd, Init)

编译实现当前，再写一段简略的 JS 代码来调用验证后果即可：

const {curryAdd} = require('bindings')('curry-add');

const fn = curryAdd(1, 2, 3);
const fn2 = fn(4);

console.log(fn.valueOf())     // => 6
console.log(fn2.valueOf())    // => 10
console.log(fn2(5).valueOf()) // => 15

而后能够讲一下上边列出来的三个技术点是如何解决的：

  • 如何在 c++ 函数中返回一个函数供 JS 调用

    • 通过 Napi::Function::New 创立新的函数，并将计算结果存入函数能够获取到的中央供下次应用

  • 如何让返回值既反对函数调用又反对取值操作

    • 通过 fn.Set 篡改 valueOf 函数并返回后果

  • 如何解决非固定数量的参数（其实这个很简略了，从上边也能看进去，自身就是一个数组）

    • 通过拿到 info 的 Length 来遍历获取

与 JS 进行比照

当然，就例如柯里化之类的函数，拿 JS 来实现的话会非常简单，配合 reduce 函数基本上五行以内就能够写进去。
那咱们折腾这么多到底是为了什么呢？
这就要回到结尾所说的劣势了：执行效率

采纳冒泡排序来比照

为了证实效率的差别，咱们抉择用一个排序算法来验证，采纳了最简略易懂的冒泡排序来做，首先是 JS 版本的：

源码地位：https://github.com/Jiasm/node…

function bubble (arr) {for (let i = 0, len = arr.length; i < len; i++) {for (let j = i + 1; j < len; j++) {if (arr[i] < arr[j]) {[arr[i], arr[j]] = [arr[j], arr[i]]
      }
    }
  }

  return arr
}

bubble([7, 2, 1, 5, 3, 4])

而后是咱们的 c++ 版本，因为是一个 JS 的扩大，所以会波及到数据类型转换的问题，大抵代码如下：

#include <napi.h>

void bubbleSort(double* arr, int len) {
  double temp;
  int i, j;
  for (i = 0; i < len; i++) {for (j = i + 1; j < len; j++) {if (*(arr + i) < *(arr + j)) {temp = *(arr + i);
        *(arr + i) = *(arr + j);
        *(arr + j) = temp;
      }
    }
  }
}

Napi::Value Add(const Napi::CallbackInfo& info) {Napi::Env env = info.Env();

  Napi::Array array = info[0].As<Napi::Array>();


  int len = array.Length(), i;

  // 返回值
  Napi::Array arr = Napi::Array::New(env, len);

  double* list = new double[len];

  // 将 Array 转换为 c++ 可方便使用的 double 数组
  for (i = 0; i < len; i++) {Napi::Value i_v = array[i];

    list[i] = i_v.ToNumber().DoubleValue();
  }

  // 执行排序
  bubbleSort(list, len);

  // 将 double 数组转换为要传递给 JS 的数据类型
  for (i = 0; i < len; i++) {arr[i] = Napi::Number::New(env, list[i]);
  }

  return arr;
}

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

NODE_API_MODULE(bubble, Init)

而后咱们通过一个随机生成的数组来比照耗时：

const {bubble} = require('bindings')('bubble.node')

const arr = Array.from(new Array(1e3), () => Math.random() * 1e6 | 0)

console.time('c++')
const a = bubble(arr)
console.timeEnd('c++')

function bubbleJS (arr) {for (let i = 0, len = arr.length; i < len; i++) {for (let j = i + 1; j < len; j++) {if (arr[i] < arr[j]) {[arr[i], arr[j]] = [arr[j], arr[i]]
      }
    }
  }

  return arr
}

console.time('js')
bubbleJS(arr)
console.timeEnd('js')

在 1,000 数据量的时候耗时差距大略在 6 倍左右，在 10,000 数据量的时候耗时差距大略在 3 倍左右。
也是简略的证实了在雷同算法状况下 c++ 效率的确是会比 JS 高一些。

当然了，也通过上边的 bubble sort 能够来证实另一个观点：有更多的 c++ 版本的轮子能够拿来用
就比方上边的 bubbleSort 函数，可能就是一个其余的加密算法实现、SDK 封装，如果没有 node 版本，而咱们要应用就须要参考它的逻辑从新实现一遍，但如果采纳 c++ 扩大的形式，齐全能够基于原有的 c++ 函数进行一次简略的封装就领有了一个 node 版本的 函数 /SDK。

后记

上边的一些内容就是如何应用 node-addon-api 来疾速开发一个 c++ 扩大，以及如何应用 node-gyp 进行编译，还有最初的如何应用 JS 调用 c++ 扩大。
在开发 node 程序的过程中，如果可能适当的利用 c++ 的能力是会对我的项目有很大的帮忙的，在一些比拟要害的中央，亦或者 node 弱项的中央，应用更尖锐的 c++ 来帮忙咱们解决问题。
不要让编程语言限度了你的想象力

参考资料

  • node-gyp
  • node-addon-api | Addon
  • node-addon-api | CallbackInfo
  • node-addon-api | Function
  • node-addon-api | Object
  • node-addon-api | Array
  • node-addon-api | Number

正文完
c++
发表至： c#
2020-08-08
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