Nodejs源码解析之UDP服务器
2020-09-10 23:09
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本文转载自微信公众号「编程杂技 」，作者theanarkh。转载本文请联系编程杂技 公众号。
我们从一个使用例子开始看看udp模块的实现。
const dgram = require('dgram');
// 创建一个socket对象
const server = dgram.createSocket('udp4');
// 监听udp数据的到来
server.on('message', (msg, rinfo) => {
// 处理数据});// 绑定端口
server.bind(41234);我们看到创建一个udp服务器很简单，首先申请一个socket对象，在nodejs中和操作系统中一样，socket是对网络通信的一个抽象，我们可以把他理解成对传输层的抽象，他可以代表tcp也可以代表udp。我们看一下createSocket做了什么。
function createSocket(type, listener) {
return new Socket(type, listener);
}
function Socket(type, listener) {
EventEmitter.call(this);
let lookup;
let recvBufferSize;
let sendBufferSize;
let options;
if (type !== null && typeof type === 'object') {
options = type;
type = options.type;
lookup = options.lookup;
recvBufferSize = options.recvBufferSize;
sendBufferSize = options.sendBufferSize;
}
const handle = newHandle(type, lookup);
this.type = type;
if (typeof listener === 'function')
this.on('message', listener);
this[kStateSymbol]
5574
= {
handle,
receiving: false,
bindState: BIND_STATE_UNBOUND,
connectState: CONNECT_STATE_DISCONNECTED,
queue: undefined,
reuseAddr: options && options.reuseAddr, // Use UV_UDP_REUSEADDR if true.
ipv6Only: options && options.ipv6Only,
recvBufferSize,
sendBufferSize
};}我们看到一个socket对象是对handle的一个封装。我们看看handle是什么。
function newHandle(type, lookup) {
// 用于dns解析的函数，比如我们调send的时候，传的是一个域名
if (lookup === undefined) {
if (dns === undefined) {
dns = require('dns');
}
lookup = dns.lookup;
}
if (type === 'udp4') {
const handle = new UDP();
handle.lookup = lookup4.bind(handle, lookup);
return handle;
}
// 忽略ipv6的处理}handle又是对UDP模块的封装，UDP是c++模块，我们看看该c++模块的定义。
// 定义一个v8函数模块 Local<FunctionTemplate> t = env->NewFunctionTemplate(New); // t新建的对象需要额外拓展的内存 t->InstanceTemplate()->SetInternalFieldCount(1); // 导出给js层使用的名字 Local<String> udpString = FIXED_ONE_BYTE_STRING(env->isolate(), "UDP"); t->SetClassName(udpString); // 属性的存取属性 enum PropertyAttribute attributes = static_cast<PropertyAttribute>(ReadOnly | DontDelete); Local<Signature> signature = Signature::New(env->isolate(), t); // 新建一个函数模块 Local<FunctionTemplate> get_fd_templ = FunctionTemplate::New(env->isolate(), UDPWrap::GetFD, env->as_callback_data(), signature); // 设置一个访问器，访问fd属性的时候，执行get_fd_templ，从而执行UDPWrap::GetFD t->PrototypeTemplate()->SetAccessorProperty(env->fd_string(), get_fd_templ, Local<FunctionTemplate>(), attributes); // 导出的函数 env->SetProtoMethod(t, "open", Open); // 忽略一系列函数 // 导出给js层使用 target->Set(env->context(), udpString, t->GetFunction(env->context()).ToLocalChecked()).Check();
在c++层通用逻辑中我们讲过相关的知识，这里就不详细讲述了，当我们在js层new UDP的时候，会新建一个c++对象。
UDPWrap::UDPWrap(Environment* env, Local<Object> object)
: HandleWrap(env,
object,
reinterpret_cast<uv_handle_t*>(&handle_),
AsyncWrap::PROVIDER_UDPWRAP) {
int r = uv_udp_init(env->event_loop(), &handle_);}执行了uv_udp_init初始化udp对应的handle。我们看一下libuv的定义。
int uv_udp_init_ex(uv_loop_t* loop, uv_udp_t* handle, unsigned int flags) {
int domain;
int err;
int fd;
/* Use the lower 8 bits for the domain */
domain = flags & 0xFF;
// 申请一个socket，返回一个fd
fd = uv__socket(domain, SOCK_DGRAM, 0);
uv__handle_init(loop, (uv_handle_t*)handle, UV_UDP);
handle->alloc_cb = NULL;
handle->recv_cb = NULL;
handle->send_queue_size = 0;
handle->send_queue_count = 0;
// 初始化io观察者（还没有注册到事件循环的poll io阶段），监听的文件描述符是fd，回调是uv__udp_io
uv__io_init(&handle->io_watcher, uv__udp_io, fd);
// 初始化写队列
QUEUE_INIT(&handle->write_queue);
QUEUE_INIT(&handle->write_completed_queue);
return 0;}到这里，就是我们在js层执行dgram.createSocket('udp4')的时候，在nodejs中主要的执行过程。回到最开始的例子，我们看一下执行bind的时候的逻辑。
Socket.prototype.bind = function(port_, address_ /* , callback */) {
let port = port_;
// socket的状态
const state = this[kStateSymbol];
// 已经绑定过了则报错
if (state.bindState !== BIND_STATE_UNBOUND)
throw new ERR_SOCKET_ALREADY_BOUND();
// 否则标记已经绑定了
state.bindState = BIND_STATE_BINDING;
// 没传地址则默认绑定所有地址
if (!address) {
if (this.type === 'udp4')
address = '0.0.0.0';
else
address = '::';
}
// dns解析后在绑定，如果需要的话
state.handle.lookup(address, (err, ip) => {
if (err) {
state.bindState = BIND_STATE_UNBOUND;
this.emit('error', err);
return;
}
const err = state.handle.bind(ip, port || 0, flags);
if (err) {
const ex = exceptionWithHostPort(err, 'bind', ip, port);
state.bindState = BIND_STATE_UNBOUND;
this.emit('error', ex);
// Todo: close?
return;
}
startListening(this);
return this;}bind函数主要的逻辑是handle.bind和startListening。我们一个个看。我们看一下c++层的bind。
void UDPWrap::DoBind(const FunctionCallbackInfo<Value>& args, int family) {
UDPWrap* wrap;
ASSIGN_OR_RETURN_UNWRAP(&wrap,
args.Holder(),
args.GetReturnValue().Set(UV_EBADF));
// bind(ip, port, flags)
CHECK_EQ(args.Length(), 3);
node::Utf8Value address(args.GetIsolate(), args[0]);
Local<Context> ctx = args.GetIsolate()->GetCurrentContext();
uint32_t port, flags;
if (!args[1]->Uint32Value(ctx).To(&port) ||
!args[2]->Uint32Value(ctx).To(&flags))
return;
struct sockaddr_storage addr_storage;
int err = sockaddr_for_family(family, address.out(), port, &addr_storage);
if (err == 0) {
err = uv_udp_bind(&wrap->handle_,
reinterpret_cast<const sockaddr*>(&addr_storage),
flags);
}
args.GetReturnValue().Set(err);}也没有太多逻辑，处理参数然后执行uv_udp_bind，uv_udp_bind就不具体展开了，和tcp类似，设置一些标记和属性，然后执行操作系统bind的函数把本端的ip和端口保存到socket中。我们继续看startListening。
function startListening(socket) {
const state = socket[kStateSymbol];
// 有数据时的回调，触发message事件
state.handle.onmessage = onMessage;
// 重点，开始监听数据
state.handle.recvStart();
state.receiving = true;
state.bindState = BIND_STATE_BOUND;
if (state.recvBufferSize)
bufferSize(socket, state.recvBufferSize, RECV_BUFFER);
if (state.sendBufferSize)
bufferSize(socket, state.sendBufferSize, SEND_BUFFER);
socket.emit('listening');}重点是recvStart函数，我们到c++的实现。
void UDPWrap::RecvStart(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
UDPWrap* wrap;
ASSIGN_OR_RETURN_UNWRAP(&wrap,
args.Holder(),
args.GetReturnValue().Set(UV_EBADF));
int err = uv_udp_recv_start(&wrap->handle_, OnAlloc, OnRecv);
// UV_EALREADY means that the socket is already bound but that's okay
if (err == UV_EALREADY)
err = 0;
args.GetReturnValue().Set(err);}OnAlloc, OnRecv分别是分配内存接收数据的函数和数据到来时执行的回调。继续看libuv
int uv__udp_recv_start(uv_udp_t* handle,
uv_alloc_cb alloc_cb,
uv_udp_recv_cb recv_cb) {
int err;
err = uv__udp_maybe_deferred_bind(handle, AF_INET, 0);
if (err)
return err;
// 保存一些上下文
handle->alloc_cb = alloc_cb;
handle->recv_cb = recv_cb;
// 注册io观察者到loop，如果事件到来，等到poll io阶段处理
uv__io_start(handle->loop, &handle->io_watcher, POLLIN);
uv__handle_start(handle);
return 0;}uv__udp_recv_start主要是注册io观察者到loop，等待事件到来的时候，在poll io阶段处理。前面我们讲过，回调函数是uv__udp_io。我们看一下事件触发的时候，该函数怎么处理的。
static void uv__udp_io(uv_loop_t* loop, uv__io_t* w, unsigned int revents) {
uv_udp_t* handle;
handle = container_of(w, uv_udp_t, io_watcher);
// 可读事件触发
if (revents & POLLIN)
uv__udp_recvmsg(handle);
// 可写事件触发
if (revents & POLLOUT) {
uv__udp_sendmsg(handle);
uv__udp_run_completed(handle);
}}我们这里先分析可读事件的逻辑。我们看uv__udp_recvmsg。
static void uv__udp_recvmsg(uv_udp_t* handle) {
struct sockaddr_storage peer;
struct msghdr h;
ssize_t nread;
uv_buf_t buf;
int flags;
int count;
count = 32;
do {
// 分配内存接收数据，c++层设置的
buf = uv_buf_init(NULL, 0);
handle->alloc_cb((uv_handle_t*) handle, 64 * 1024, &buf);
memset(&h, 0, sizeof(h));
memset(&peer, 0, sizeof(peer));
h.msg_name = &peer;
h.msg_namelen = sizeof(peer);
h.msg_iov = (void*) &buf;
h.msg_iovlen = 1;
// 调操作系统的函数读取数据
do {
nread = recvmsg(handle->io_watcher.fd, &h, 0);
}
while (nread == -1 && errno == EINTR);
// 调用c++层回调
handle->recv_cb(handle, nread, &buf, (const struct sockaddr*) &peer, flags);
}}libuv会回调c++层，然后c++层回调到js层，最后触发message事件，这就是对应开始那段代码的message事件。
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