Nodejs源码解析之UDP服务器

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Nodejs源码解析之UDP服务器

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] = { 
    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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