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Node.js 内核的幕后英雄 -子线程

Nodejs 线程
2023-02-25 18:26:48 时间

Node.js 为人所知的是单线程应用，也为人所知的是底层其实利用了多线程。单线程会使得代码实现上变得容易好理解，但是带来好处的同时，也往往会存在一些限制，这些限制导致在 Node.js 内核中，不得不引入其他子线程，最终形成多线程。本文介绍 Node.js 中的这些幕后英雄。

1 Libuv 线程池

Node.js 中，Libuv 线程池是最为人所知的子线程。Node.js 的整体架构是单线程 + 事件驱动，其本质是一个生产者消费者的模型。

Node.js 不断通过事件驱动模块订阅 fd 的事件，然后等待 fd 对应事件的就绪，接着执行对应回调，通过事件驱动，Node.js 甚至实现了定时器的功能。但是事件驱动模块不是万能的，至少目前不是，也就是说事件驱动模块还无法支持所有的操作，那么这些操作就需要用额外的线程去完成。这是引入 Libuv 线程池的背景。具体来说，Libuv 用来处理文件 IO、DNS 和 CPU 密集型的任务。

从上面图中可以看到，这些任务是直接提交给线程池处理的，等线程池把任务处理后，再通知主线程执行回调。所以底层虽然是多线程的，但是 Node.js 中，所有上层的代码都是在单线程(主线程)中执行的。下面以异步读文件为例看看大概的流程。

可以看到主线程提交任务给线程池后，就可以继续执行其他操作而不需要等待子线程完成，子线程完成任务后会以异步的方式通知主线程。

2 Watchdog

看门狗是计算机中的一个术语，大概就是定时做一些事情的一个程序，比如启动一个定时器定时检测系统是否运行正常，如果系统运行正常，则在定时器超时前重置定时器，如果系统挂了，则看门狗就会发出告警。在 Node.js 中也用到了看门狗。前面提到 Node.js 是单线程的，那么如何实现保证在某段时间内执行完一段代码呢?一旦我们把执行控制权交给某段代码，那么它什么时候结束就取决于这段代码的内容了，甚至如果它里面有个死循环，那么我们的系统也就无法做其他事情了。Node.js 提供了 API 处理这种情况。

Node.js 底层正是通过 watchdog 实现了这种能力，下面来看一下具体实现，下面是核心代码。

if (timeout != -1) {
    Watchdog wd(env->isolate(), timeout, &timed_out);
    result = run();
}

run 函数实现了 js 代码的执行，在 run 之前定义了一个watchdog。我们来看看它的实现。

class Watchdog {
 public:
  explicit Watchdog(v8::Isolate* isolate,
                    uint64_t ms,
                    bool* timed_out = nullptr);
  ~Watchdog();
  v8::Isolate* isolate() { return isolate_; }

 private:
  static void Run(void* arg);
  static void Timer(uv_timer_t* timer);

  v8::Isolate* isolate_; // 主线程 isolate
  uv_thread_t thread_;// 子线程标识
  uv_loop_t loop_; // 事件循环核心结构体
  uv_async_t async_; // 子线程和主线程通信结构体
  uv_timer_t timer_; // 注册于子线程的定时器
  bool* timed_out_; // 标记是否超时了
};

从上面定义中可以看到，watchdog 会新建一个子线程然后在子线程里跑一个新的事件循环(Node.js 中很多这种用法)，接着看具体的实现。

Watchdog::Watchdog(v8::Isolate* isolate, uint64_t ms, bool* timed_out)
    : isolate_(isolate), timed_out_(timed_out) {

  int rc;
  // 初始化新的事件循环结构体
  rc = uv_loop_init(&loop_);
  // 初始化线程间通信结构体，并设置回调
  rc = uv_async_init(&loop_, &async_, [](uv_async_t* signal) {
    Watchdog* w = ContainerOf(&Watchdog::async_, signal);
    uv_stop(&w->loop_);
  });
  // 在子线程的事件循环中初始化和启动定时器
  rc = uv_timer_init(&loop_, &timer_);
  rc = uv_timer_start(&timer_, &Watchdog::Timer, ms, 0);
  // 创建子线程，并在子线程中执行 Run 函数
  rc = uv_thread_create(&thread_, &Watchdog::Run, this);
}

接着看一下 Run。

void Watchdog::Run(void* arg) {
  Watchdog* wd = static_cast<Watchdog*>(arg);
  uv_run(&wd->loop_, UV_RUN_DEFAULT);
  uv_close(reinterpret_cast<uv_handle_t*>(&wd->timer_), nullptr);
}

在 Run 中进入事件循环。以此同时，主线程中也在执行 js 代码。随着时间的流逝，有两种情况，第一，js 代码在定时器超时前执行完，回头看看定义 watchdog 的代码是包裹在一个 if 里的，run 执行完后就会离开 if 作用域，从而析构 watchdog。我们看看析构函数的逻辑。

Watchdog::~Watchdog() {
  // 通知子线程退出
  uv_async_send(&async_);
  // 等待子线程退出
  uv_thread_join(&thread_);
  uv_close(reinterpret_cast<uv_handle_t*>(&async_), nullptr);
  // UV_RUN_DEFAULT so that libuv has a chance to clean up.
  uv_run(&loop_, UV_RUN_DEFAULT);
  CheckedUvLoopClose(&loop_);
}

析构函数里通过 uv_async_send 通知子线程退出，看一下回调。

uv_async_init(&loop_, &async_, [](uv_async_t* signal) {
    Watchdog* w = ContainerOf(&Watchdog::async_, signal);
    uv_stop(&w->loop_);
});

回调里执行 uv_stop 结束子线程中事件循环的运行，最终退出子线程。第二种情况就是 js 代码过久，然后子线程定时器超时，来看一下超时回调。

void Watchdog::Timer(uv_timer_t* timer) {
  Watchdog* w = ContainerOf(&Watchdog::timer_, timer);
  *w->timed_out_ = true;
  w->isolate()->TerminateExecution();
  uv_stop(&w->loop_);
}

回调里通过 isolate 的 TerminateExecution 函数终止 js 代码的执行，然后继续执行主线程后面的代码，而子线程也完成了自己的使命。

3 Inspector

调试 js 时，我们通常会打很多断点，当代码执行到断点时，整个线程就会停住，我们就可以查看当前的栈和信息。如果这时候我们想关闭调试功能，可能会发现无法关闭，因为整个线程都停在断点处了，虽然我们可以直接关闭调试客户端，但是真实情况可能比较复杂，比如多人打开了调试器，我们却只能关闭自己的。另外，如果我们的代码陷入了死循环，那么连打开调试功能的机会都没有了。这是单线程导致的问题，所以 Node.js 中的调试功能是以独立的线程实现的。在 Node.js 中我们可以通过很多种方式打开调试功能。比如在启动 Node.js 时通过加入命令行参数，在代码里通过 inspector 模块的 open 函数，通过给 Node.js 进程发送 SIGUSR1 信号(这种方式可以在主线程死循环的情况依然可以生效)。这些方式对应的实现都是一样的。

uv_thread_create(&thread_, InspectorIo::ThreadMain, this);

Node.js 会创建一个新的线程运行调试相关的代码。

void InspectorIo::ThreadMain() {
  uv_loop_t loop;
  loop.data = nullptr;
  int err = uv_loop_init(&loop);
  // 获取调试的 host 和端口
  std::string host;
  int port;
  {
    ExclusiveAccess<HostPort>::Scoped host_port(host_port_);
    host = host_port->host();
    port = host_port->port();
  }
  // 创建服务器，往事件循环注册 fd
  InspectorSocketServer server(std::move(delegate),
                               &loop,
                               std::move(host),
                               port,
                               inspect_publish_uid_);
  server.Start();
  // 启动事件循环
  uv_run(&loop, UV_RUN_DEFAULT);
  CheckedUvLoopClose(&loop);
}

具体就不多介绍了，主要是开了子线程避免了主线程阻塞时所带来的限制。另外多提一下就是通过信号打开调试器的实现。哪怕进程陷入了死循环，也是会处理收到的信号的，因为操作系统在进程调度时，选中某个进程后，在执行前会先处理信号。所以如果 Node.js 进程如果正在陷入死循环，通过信号机制，我们依然有机会执行一些代码。接下来看看这时候 Node.js 都执行了什么代码。首先 Node.js 在初始化时先创建了一个线程。

pthread_create(&thread, &attr, StartIoThreadMain, nullptr);

inline void* StartIoThreadMain(void* unused) {
  for (;;) {
    uv_sem_wait(&start_io_thread_semaphore);
    Mutex::ScopedLock lock(start_io_thread_async_mutex);
    Agent* agent = static_cast<Agent*>(start_io_thread_async.data);
    if (agent != nullptr)
      agent->RequestIoThreadStart();
  }
}

这个线程被创建后通过 uv_sem_wait 把自己阻塞，等待信号量 start_io_thread_semaphore 的唤醒，然后通过 agent->RequestIoThreadStart() 启动调试子线程。那么谁来唤醒 StartIoThreadMain 对应的线程呢?是信号 SIGUSR1 的处理函数。

RegisterSignalHandler(SIGUSR1, StartIoThreadWakeup);

static void StartIoThreadWakeup(int signo, siginfo_t* info, void* ucontext) {
  uv_sem_post(&start_io_thread_semaphore);
}

但是事情没有那么简单，因为 RequestIoThreadStart 是在子线程里执行的，而 V8 的 isolate 不是线程安全的。

void Agent::RequestIoThreadStart() {
  // We need to attempt to interrupt V8 flow (in case Node is running
  // continuous JS code) and to wake up libuv thread (in case Node is waiting
  // for IO events)
  uv_async_send(&start_io_thread_async);
  parent_env_->RequestInterrupt([this](Environment*) {
    StartIoThread();
  });
}

RequestIoThreadStart 往主线程的任务队列里插入一个任务，然后在主线程里执行任务回调去打开调试器，至于为什么需要同时调 uv_async_send 和 RequestInterrupt 注释里已经写得很清楚，Node.js 可能正阻塞于 Libuv 的 Poll IO 阶段，也可以正陷入 JS 的代码执行中甚至死循环中。这两个调用分别解决这两个问题，从而“唤醒”主线程继续执行任务。同样，start_io_thread_async 的回调也是调用了 StartIoThread 启动调试器。StartIoThread 中加了判断，如果已经开启了则直接返回，避免两个回调执行重复的代码。

4 Trace

Node.js 的 Trace 功能中也使用了子线程。先看一下 Trace Agent 的构造函数。

Agent::Agent() : tracing_controller_(new TracingController()) {
  CHECK_EQ(uv_loop_init(&tracing_loop_), 0);
  // 注册当注册 writer 时的回调
  CHECK_EQ(uv_async_init(&tracing_loop_,
                         &initialize_writer_async_,
                         [](uv_async_t* async) {
    Agent* agent = ContainerOf(&Agent::initialize_writer_async_, async);
    agent->InitializeWritersOnThread();
  }), 0);
}

接着看 Agent 启动的代码，Trace Agent 启动的时候就会创建一个新的子线程。

void Agent::Start() {
  if (started_)
    return;
  // 创建 controller 和 buffer 后续用到
  NodeTraceBuffer* trace_buffer_ = new NodeTraceBuffer(NodeTraceBuffer::kBufferChunks, this, &tracing_loop_);
  tracing_controller_->Initialize(trace_buffer_);
  // 创建子线程运行新的事件循环
  CHECK_EQ(0, uv_thread_create(&thread_, [](void* arg) {
    Agent* agent = static_cast<Agent*>(arg);
    uv_run(&agent->tracing_loop_, UV_RUN_DEFAULT);
  }, this));
  started_ = true;
}

逻辑和之前介绍的类似，都是开启一个新的线程运行一个事件循环，然后主线程和子线程进行通信。看 NodeTraceBuffer 的初始化

NodeTraceBuffer::NodeTraceBuffer(size_t max_chunks,
    Agent* agent, uv_loop_t* tracing_loop)
    : tracing_loop_(tracing_loop),
      buffer1_(max_chunks, 0, agent),
      buffer2_(max_chunks, 1, agent) {
  current_buf_.store(&buffer1_);

  flush_signal_.data = this;
  // 初始化线程间通信的结构体，NonBlockingFlushSignalCb 在子线程中执行
  int err = uv_async_init(tracing_loop_, &flush_signal_,
                          NonBlockingFlushSignalCb);
  exit_signal_.data = this;
  err = uv_async_init(tracing_loop_, &exit_signal_, ExitSignalCb);

NodeTraceBuffer 往 loop 中注册了一个 async 结构体。注册完任务后，子线程就进入了事件循环。这时候有两种情况会改变事件循环的状态。第一个是注册 writer。writer 是消费者，当有 trace 事件发生时，agent 会调用 writer 进行数据的消费，比如写入文件。我们看一下注册 writer 的逻辑。

AgentWriterHandle Agent::AddClient(
    const std::set<std::string>& categories,
    std::unique_ptr<AsyncTraceWriter> writer,
    enum UseDefaultCategoryMode mode) {
  // 省略了一些逻辑
  AsyncTraceWriter* raw = writer.get();
  writers_[id] = std::move(writer);
  // 记录待初始化的 writer，通知子线程处理
  {
    Mutex::ScopedLock lock(initialize_writer_mutex_);
    to_be_initialized_.insert(raw);
    uv_async_send(&initialize_writer_async_);
    while (to_be_initialized_.count(raw) > 0)
      initialize_writer_condvar_.Wait(lock);
  }
  return AgentWriterHandle(this, id);

前面看到 initialize_writer_async_ 的回调是

uv_async_init(&tracing_loop_,
                         &initialize_writer_async_,
                         [](uv_async_t* async) {
    Agent* agent = ContainerOf(&Agent::initialize_writer_async_, async);
    agent->InitializeWritersOnThread();
}), 0)

接着看 InitializeWritersOnThread。

void Agent::InitializeWritersOnThread() {
  Mutex::ScopedLock lock(initialize_writer_mutex_);
  while (!to_be_initialized_.empty()) {
    AsyncTraceWriter* head = *to_be_initialized_.begin();
    head->InitializeOnThread(&tracing_loop_);
    to_be_initialized_.erase(head);
  }
  initialize_writer_condvar_.Broadcast(lock);
}

InitializeWritersOnThread 就是遍历刚才记录的 writer 并执行它的 InitializeOnThread。以 NodeTraceWriter 为例。

void NodeTraceWriter::InitializeOnThread(uv_loop_t* loop) {
  tracing_loop_ = loop;

  flush_signal_.data = this;
  int err = uv_async_init(tracing_loop_, &flush_signal_,
                          [](uv_async_t* signal) {
    NodeTraceWriter* trace_writer =
        ContainerOf(&NodeTraceWriter::flush_signal_, signal);
    trace_writer->FlushPrivate();
  });
  CHECK_EQ(err, 0);

  exit_signal_.data = this;
  err = uv_async_init(tracing_loop_, &exit_signal_, ExitSignalCb);
}

writer 会往子线程的事件循环里注册任务。等到有数据消费的时候主线程会通知子线程。现在有了消费者，那么生产者是谁?生产者散布在 Node.js 源码的多个地方。下面以文件模块的打开文件为例。

 FS_SYNC_TRACE_BEGIN(open);
    int result = SyncCall(env, args[4], &req_wrap_sync, "open",
                          uv_fs_open, *path, flags, mode);
    FS_SYNC_TRACE_END(open);

FS_SYNC_TRACE_BEGIN 和 FS_SYNC_TRACE_END 是 Trace 模块定义的宏，非常繁琐。最终会调用 controller->AddTraceEvent 生产 trace 数据，这是改变子线程事件循环状态的第二种情况。Node.js 的 controller 为 TracingController 对象，继承 v8::platform::tracing::TracingController。看一下这个对象的 AddTraceEvent 函数。

uint64_t TracingController::AddTraceEvent(...) {
  return AddTraceEventWithTimestamp(...);
}

uint64_t TracingController::AddTraceEventWithTimestamp() {
    TraceObject* trace_object = trace_buffer_->AddTraceEvent(...);    
}

最终调用了 buffer 的 AddTraceEvent。buffer 就是 Trace Agent 初始化时设置的 NodeTraceBuffer。

TraceObject* NodeTraceBuffer::AddTraceEvent(uint64_t* handle) {
  // 数据太多则 flush
  if (!TryLoadAvailableBuffer()) {
    *handle = 0;
    return nullptr;
  }
  // 记录数据
  return current_buf_.load()->AddTraceEvent(handle);
}

NodeTraceBuffer::AddTraceEvent 会不断积攒数据。达到某个值后会通知子线程进行 flush。我们看一下 TryLoadAvailableBuffer。

bool NodeTraceBuffer::TryLoadAvailableBuffer() {
  InternalTraceBuffer* prev_buf = current_buf_.load();
  if (prev_buf->IsFull()) {
    uv_async_send(&flush_signal_);
  }
  return true;
}

通过 uv_async_send 通知 flush_signal_ ，然后在子线程里执行回调 NonBlockingFlushSignalCb。

void NodeTraceBuffer::NonBlockingFlushSignalCb(uv_async_t* signal) {
  NodeTraceBuffer* buffer = static_cast<NodeTraceBuffer*>(signal->data);
  if (buffer->buffer1_.IsFull() && !buffer->buffer1_.IsFlushing()) {
    buffer->buffer1_.Flush(false);
  }
  if (buffer->buffer2_.IsFull() && !buffer->buffer2_.IsFlushing()) {
    buffer->buffer2_.Flush(false);
  }
}

buffer->buffer1_ 和 buffer->buffer2_ 是 InternalTraceBuffer 对象。

void InternalTraceBuffer::Flush(bool blocking) {
  {
    Mutex::ScopedLock scoped_lock(mutex_);
    if (total_chunks_ > 0) {
      flushing_ = true;
      for (size_t i = 0; i < total_chunks_; ++i) {
        auto& chunk = chunks_[i];
        for (size_t j = 0; j < chunk->size(); ++j) {
          TraceObject* trace_event = chunk->GetEventAt(j);
          if (trace_event->name()) {
            agent_->AppendTraceEvent(trace_event);
          }
        }
      }
      total_chunks_ = 0;
      flushing_ = false;
    }
  }
  agent_->Flush(blocking);
}

InternalTraceBuffer 会把积攒的数据写到 agent 并 flush。

void Agent::AppendTraceEvent(TraceObject* trace_event) {
  for (const auto& id_writer : writers_)
    id_writer.second->AppendTraceEvent(trace_event);
}

Agent 也只是个中间人，它会调用每个 writer 进行数据的消费。以 NodeTraceWriter 为例，NodeTraceWriter 会先把数据积攒起来。

void Agent::Flush(bool blocking) {
  for (const auto& id_writer : writers_)
    id_writer.second->Flush(blocking);}
// 通知子线程一起 flush 到文件
void NodeTraceWriter::Flush(bool blocking) {
  int err = uv_async_send(&flush_signal_);
}

flush_signal_ 回调是 NodeTraceWriter 的 FlushPrivate。

void NodeTraceWriter::FlushPrivate() {
  WriteToFile(std::move(str), highest_request_id);
}

最终写入文件，我们也就拿到了 Trace 对应的数据。

5 Platform

Node.js 在初始化时会创建一个 WorkerThreadsTaskRunner。

WorkerThreadsTaskRunner::WorkerThreadsTaskRunner(int thread_pool_size) {
  Mutex platform_workers_mutex;
  ConditionVariable platform_workers_ready;

  Mutex::ScopedLock lock(platform_workers_mutex);
  int pending_platform_workers = thread_pool_size;

  delayed_task_scheduler_ = std::make_unique<DelayedTaskScheduler>(
      &pending_worker_tasks_);
  // threads_ 是线程队列
  threads_.push_back(delayed_task_scheduler_->Start());

  for (int i = 0; i < thread_pool_size; i++) {
    PlatformWorkerData* worker_data = new PlatformWorkerData{
      &pending_worker_tasks_, &platform_workers_mutex,
      &platform_workers_ready, &pending_platform_workers, i
    };
    std::unique_ptr<uv_thread_t> t { new uv_thread_t() };
    // 创建线程
    if (uv_thread_create(t.get(), PlatformWorkerThread,
                         worker_data) != 0) {
      break;
    }
    threads_.push_back(std::move(t));
  }
}

首先会根据 thread_pool_size 创建多个子线程。还创建了一个延迟任务的调度器 DelayedTaskScheduler，这个对象里也创建了一个线程。

std::unique_ptr<uv_thread_t> Start() {
    auto start_thread = [](void* data) {
      // 处理任务
      static_cast<DelayedTaskScheduler*>(data)->Run();
    };
    std::unique_ptr<uv_thread_t> t { new uv_thread_t() };
    uv_sem_init(&ready_, 0);
    CHECK_EQ(0, uv_thread_create(t.get(), start_thread, this));
    uv_sem_wait(&ready_);
    uv_sem_destroy(&ready_);
    return t;
}

Node.js 初始化后就创建了一波线程，然后 V8 会使用这些线程，我们通过 Post 和 PostDelayedTask 可以看到。

6 总结

大致完成了 Node.js 中幕后线程的分析，单线程的 Node.js 正是因为这些幕后的子线程变得越来越强大，另外我们也可以通过 Addon 的方式开启新的子线程，以此做更多的事情，当然也可以使用 worker_thread 模块。


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