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Node.js 之 HTTP实现详细分析

news 来源：原创 2024/5/10 10:17:17

分针网每日分享：Node.js 之 HTTP实现详细分析

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');