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Node.js 之 HTTP实现详细分析
温富杰 2017-07-13 09:24:41
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前端开发
Node.js的强项是处理网络请求,那我们就来分析一个HTTP请求在Node.js中是怎么被处理的,以及JavaScript在这个过程中引入的开销到底有多大。

Node.js采用的网络请求处理模型是IO多路复用。它与传统的主从多线程并发模型是有区别的:只使用有限的线程数(1个),所以占用系统资源很少;操作系统级的异步IO支持,可以减少用户态/内核态切换,并且本身性能更高(因为直接与网卡驱动交互);JavaScript天生具有保护程序执行现场的能力(闭包),传统模型要么依赖应用程序自己保存现场,或者依赖线程切换时自动完成。当然,并不能说IO多路复用就是最好的并发模型,关键还是看应用场景。

我们来看“hello world”版Node.js网络服务器:

require('http').createServer((req, res) => {
res.end('hello world');
}).listen(3333);

代码思路分析

createServer([requestListener])

createServer创建了http.Server对象,它继承自net.Server。事实上,HTTP协议确实是基于TCP协议实现的。createServer的可选参数requestListener用于监听request事件;另外,它也监听connection事件,只不过回调函数是http.Server自己实现的。然后调用listen让http.Server对象在端口3333上监听连接请求并最终创建TCP对象,由tcp_wrap.h实现。最后会调用TCP对象的listen方法,这才真正在指定端口开始提供服务。我们来看看涉及到的所有JavaScript对象:


涉及到的C++类大多只是对libuv做了一层包装并公布给JavaScript,所以不在这里特别列出。我们有必要提一下http-parser,它是用来解析http请求/响应消息的,本身十分高效:没有任何系统调用,没有内存分配操作,纯C实现。

connection事件

当服务器接受了一个连接请求后,会触发connection事件。我们可以在这个结点获取到套接字文件描述符,之后就可以在这个文件描述符上做流式读或写,也就是所谓的全双工模式。上文提到net.Server的listen方法会创建TCP对象,并且提供TCP对象的onconnection事件回调方法;这里可以利用字段net.Server.maxConnections做过载保护,后面会讲到。并且会把clientHandle(本次连接的套接字文件描述符)封装成net.Socket对象,作为connection事件的参数。我们来看看调用过程:

tcp_wrap.cc

void TCPWrap::Listen(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
int err = uv_listen(reinterpret_cast<uv_stream_t*>(&wrap->handle_),
backlog,
OnConnection);
args.GetReturnValue().Set(err);
}

OnConnection 在connection_wrap.cc中定义

// ...省略不重要的代码
uv_stream_t* client_handle =
reinterpret_cast<uv_stream_t*>(&wrap->handle_);
// uv_accept can fail if the new connection has already been closed, in
// which case an EAGAIN (resource temporarily unavailable) will be
// returned.
if (uv_accept(handle, client_handle))
return;
// Successful accept. Call the onconnection callback in JavaScript land.
argv[1] = client_obj;
// ...省略不重要的代码
wrap_data->MakeCallback(env->onconnection_string(), arraysize(argv), argv);

上文提到的clientHandle实际上是uv_accept的第二个参数,指服务当前连接的套接字文件描述符。net.Server的字段 _handle 会在JavaScript侧存储该字段。最后我们上一张流程图:


request事件

connection事件的回调函数connectionListener(lib/_http_server.js)中,首先获取http-parser对象,设置parser.onIncoming回调(马上会用到)。当连接套接字有数据到达时,调用http-parser.execute方法。http-parser在解析过程中会触发如下回调函数:

on_message_begin:在开始解析HTTP消息之前,可以设置http-parser的初始状态(注意http-parse有可能是复用的而不是重每次新创建)

on_url:解析请求的url,对响应消息不起作用

on_status, 解析状态码,只对http响应消息起作用

on_head_field, 头字段名称

on_head_value:头字段对应值

on_headers_complete:当所有头解析完成时

on_body:解析http消息中包含的payload

on_message_complete:解析工作结束

Node.js中Parser类是对http-parser的包装,它会注册上面所有的回调函数。同时,暴露给JavaScript5个事件:
kOnHeaders,kOnHeadersComplete,kOnBody,kOnMessageComplete,kOnExecute。在lib/_http_common.js中监听了这些事件。其中,当需要强制把头字段回传到JavaScript时会触发kOnHeaders;例如,头字段个数超过32,或者解析结束时仍然有头字段没有回传给JavaScript。当调用完http_parser_execute后触发kOnExecute。kOnHeadersComplete事件触发时,会调用parser的onIncoming回调函数。仅仅HTTP头解析完成之后,就会触发request事件。执行流程如下:


总结

说了那么多,其实仍然离不开最基础的套接字编程步骤,对于服务器端依次是:create、bind,listen、accept和close。客户端会经历create、bind、connect和close。想了解更多套接字编程的同学可以参考《UNIX网络编程》。

HTTP场景分析

上面提到的Node.js版hello world只涵盖了HTTP处理最基本的情况,但是也足以说明Node.js处理得非常简洁。现在,我们来分析一些典型的HTTP场景。

1. keep-alive

对于前端应用,HTTP请求瞬间数量比较多,但每个请求传输的数据一般不大;这时,用同一个TCP连接处理同一个用户发出的HTTP请求可以显著提高性能。但是keep-alive也不是万能的,如果用户每次只发起一个请求,它反而会因为延长连接的生存时间,浪费服务器资源。

针对同一个连接,Node.js会维持一个incoming队列和一个outgoing队列。应用程序通过监听request事件,可以访问ServerResponse和IncomingMessage对象,当请求处理完成之后(调用response.end()),ServerResponse会响应finish事件。如果它是本次连接上最后一个response对象,则准备关闭连接;否则,继续触发request事件。每个连接最长超时时间默认为2分钟,可以通过http.Server.setTimeout调整。
现在把我们的Node.js版hello world修改一下

var delay = [2000, 30, 500];
var i = 0;
require('http').createServer((req, res) => {
// 为了让请求模拟更真实,会调整每个请求的响应时间
setTimeout(() => {
res.end('hello world');
}, delay[i]);
i = (i+1)%(delay.length);
}).listen(3333, () => {
// listen的回调函数
console.log('listen at 3333');
});

客户端代码如下:

var http = require('http');
// 设置HTTP agent开启keep-alive模式
// 套接字的打开时间维持1分钟
var agent = new http.Agent({
keepAlive: true,
keepAliveMsecs: 60000
});
// 每次请求结束之后,都会再发起一次请求
// doReq每调用一次只会触发2次请求
function doReq(again, iter) {
let request = http.request({
hostname: '192.168.1.10',
port: 3333,
agent:agent
}, (res) => {
console.log(`${new Date().valueOf()} ${iter} ${again} Headers: ${JSON.stringify(res.headers)}`);
console.log(request.socket.localPort);
// 设置解析响应的编码格式
res.setEncoding('utf8');
// 接收响应
res.on('data', (chunk) => {
console.log(`${new Date().valueOf()} ${iter} ${again} Body: ${chunk}`);
});
if (again) doReq(false, iter);
});
// 发起请求
request.end();
}
for (let i = 0; i < 3; i++) {
doReq(true, i);
}

套接字复用的时序如下:




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