理解 libuv 运行机制

2022年02月07日

libuv 作为 Node.js 很重要的一个依赖，为其引入了事件循环（Event Loop）的机制，统一了 Linux、Mac 和 Windows 等各个平台非阻塞 IO 操作接口，且提供了以一些功能：包括操作文件、DNS、网络、子进程、管道、信号处理等等。

本篇文章就深入探究一下其内部的运行机制。

libuv 代码中的两个抽象

为了与事件循环机制相结合，libuv 提供了两个抽象：handles 和 requests。

当处于激活状态时，handles 代表长生命周期的一些操作，例如：

事件循环的每一次循环中，当 prepare handle 激活时，其关联的回调函数的执行
TCP handle，每有当新连接到来时，其所关联的回调函数都会执行

而 request 一般仅代表短生命周期的操作。可以通过 handle 来执行操作：write requests 需要 handle 来执行写操作；也可独立执行：getaddrinfo requests 直接在循环中执行。

Event Loop

I/O 循环（Event Loop）是 libuv 的核心部分。所有的 I/O 操作都在事件循环当中，事件循环应该被绑定在单个线程上。所以如果想要在多线程上跑的话，应该每个线程都引入事件循环。

基本上各个平台都会支持异步非阻塞的套接字，libuv 会根据平台的不同，去引入对应的最好的机制：Linux 是 epoll、OSX 是 kqueue、Windows 是 IOCP。作为循环的组成部分，网络套接字在空闲时会阻塞住，直到套接字变得可读或者可写，然后事件循环便继续进行。

为了更好地理解，下图展示了循环的所有阶段：

可阅读代码 src/unix/core.c uv_run 方法，更好地理解上面的流程图。

事件循环核心流程描述如下：

更新循环阶段的当前时间。在每次循环的开始阶段，都会缓存当前的时间，接下来循环中都会使用此时间，目的是为了减少系统调用。
判断当前循环是否处于活跃状态，如果非活跃状态则直接退出循环。那么，什么情况下循环是活跃状态呢？当循环关联有活跃的 handles 时、或活跃的 requests 时、或存在 closing hanldes 时，循环可被认为是活跃的。
执行 timer 阶段。所有早于当前时间的 timers 可被执行，它们关联的回调函数将被调用。
执行 pending callbacks 阶段。
执行 idle handle 阶段。如果有存在活跃状态的 idle 阶段，它们将在每个循环中被执行。
执行 prepare handle 阶段。在循环阻塞 I/O 前，会执行此阶段。
计算 poll timeout。在 I/O 阻塞前，计算应该被阻塞多久。有下面的几条规则用于计算 timeout：
1. 如果 loop 是 UV_RUN_NOWAIT 方式，则 timeout 为 0
2. 如果 loop 将要被停止（调用过 uv_stop()），则 timeout 为 0
3. 如果没有活跃的 handles 或 requests，则 timeou 为 0
4. 如果存在任一活跃 idle handle，则 timeout 为 0
5. 如果存在正在关闭的 handles，则 timeout 为 0
6. 上面的情况不满足，取最近的到期 timer 作为 timeout，如果无 timer，则 timeout 为无穷
循环阻塞在 I/O。在此阶段，循环一直阻塞，直到上一步计算的 timeout 到达。当有文件描述符变得可读或者可写，将会在此阶段调用它们关联的回调函数。
执行 check handle 阶段。
调用 close 回调。如果 handle 被调用 uv_close()，则会在此调用回调。
如果循环是 UV_RUN_ONCE 方式启动，将会执行 timer 回调。
此次循环结束。如果是以 UV_RUN_NOWAIT 或 UV_RUN_ONCE 方式启动的循环，则退出循环。如果是以 UV_RUN_DEFAULT 开始的循环（Node.js 主线程为此状态），如果处于活跃状态则会再次从头进入循环（跳到第一步），否则退出循环。

本地安装 libuv

1git clone git@github.com:libuv/libuv.git
2cd libuv
3./autogen.sh
4./configure
5make
6make install

安装之后就会有 /usr/local/include/uv.h 和 /usr/local/lib/libuv.a 文件

编译代码时执行 gcc main.c -luv 即可

核心代码注释

以下基于 libuv-1.43.0 版本，src/unix/core.c uv_run 代码注释

 1int uv_run(uv_loop_t* loop, uv_run_mode mode) {
 2  int timeout;
 3  int r;
 4  int ran_pending;
 5
 6  r = uv__loop_alive(loop); // 判断循环是否活跃
 7  if (!r)
 8    uv__update_time(loop);
 9
10  while (r != 0 && loop->stop_flag == 0) { // 如果循环活跃且没被手动停止，进入循环
11    uv__update_time(loop); // 更新当前时间，减少系统调用
12    uv__run_timers(loop); // 执行 timers 阶段
13    ran_pending = uv__run_pending(loop); // 执行 pending 阶段
14    uv__run_idle(loop); // 执行 idle 阶段
15    uv__run_prepare(loop); // 执行 prepare 阶段
16
17    timeout = 0;
18    if ((mode == UV_RUN_ONCE && !ran_pending) || mode == UV_RUN_DEFAULT)
19      timeout = uv_backend_timeout(loop); // 计算 timeout
20
21    uv__io_poll(loop, timeout); // 进入 io 阻塞阶段，传入上一步计算出的 timeout
22
23    uv__metrics_update_idle_time(loop);
24
25    uv__run_check(loop); // 执行 check 阶段
26    uv__run_closing_handles(loop); // 处理 close 相关回调
27
28    if (mode == UV_RUN_ONCE) {
29      uv__update_time(loop);
30      uv__run_timers(loop);
31    }
32
33    r = uv__loop_alive(loop); // 判断循环是否活跃
34    if (mode == UV_RUN_ONCE || mode == UV_RUN_NOWAIT)
35      break; // 如果是 UV_RUN_ONCE 和 UV_RUN_NOWAIT，跳出循环
36  }
37
38  if (loop->stop_flag != 0)
39    loop->stop_flag = 0;
40
41  return r;
42}

理解 libuv 运行机制

libuv 代码中的两个抽象

Event Loop

本地安装 libuv

核心代码注释

参考