[译] libuv 设计概述

2016-07-05 08:40:00

概述

libuv 最初是为 Node.js 所作的跨平台库。它基于事件驱动的异步 I/O 模型。

libuv 不仅仅只提供了对于不同 I/O 轮询机制的简单抽象：“句柄（handles）”和“流（streams）”也提供了对于 socket 和其他相关实例的高度抽象。同时 libuv 还提供了跨平台文件 I/O 接口和多线程接口等等。

下图展示了 libuv 的不同组成部分，以及与这些部分相关的子模块：

句柄（handles）和请求（requests）

为了能使用户介入事件循环（event loop），libuv 为用户提供了两个抽象：句柄和请求。

句柄表示一个在其被激活时可以执行某些操作且持久存在的对象。例如：当一个预备句柄（prepare handle）处于激活时，它的回调函数会在每次事件循环中被调用；每当一个新 TCP 连接来到时，一个 TCP 服务器句柄的连接回调函数就会被调用。

请求（通常）表示一个短暂存在的操作。这些操作可以操作于句柄，例如写请求（write requests）用于向一个句柄写入数据。但是又如 getaddrinfo 请求则不依赖于一个句柄，它们直接在事件循环上执行。

事件循环

事件循环是 libuv 的核心部分。它为所有的 I/O 操作建立了上下文，并且执行于一个单线程中。你可以在多个不同的线程中运行多个事件循环。除非另有说明，不然 libuv 的事件循环（以及其他循环或句柄提供的 API）并不是线程安全的。

事件循环遵循着普遍的单线程异步 I/O 行为：所有的（网络）I/O 体现在非阻塞的 socket 上，对于不同的平台，libuv 会选取最佳的轮询机制：Linux 上为 epoll ，OSX 和其他 BSD 上为 kqueue ，SunOS 上为 event ports ， Windows 上则为 IOCP 。作为循环迭代的一部分，事件循环会阻塞并等待被添加的 socket 上 I/O 活动的发生。然后根据当前的 socket 情况（可读，可写，挂起）触发相应的回调函数。所以，一个句柄是可以执行读操作，写操作或其他 I/O 行为。

为了能更好的理解事件循环是如何工作的，下图展示了事件循环一次迭代的所有过程：

事件循环中的“现在时间（now）”被更新。事件循环会在一次循环迭代开始的时候缓存下当时的时间，用于减少与时间相关的系统调用次数。
如果事件循环仍是存活（alive）的，那么迭代就会开始，否则循环会立刻退出。如果一个循环内包含激活的可引用句柄，激活的请求或正在关闭的句柄，那么则认为该循环是存活的。
执行超时定时器（due timers）。所有在循环的“现在时间”之前超时的定时器都将在这个时候得到执行。
执行等待中回调（pending callbacks）。正常情况下，所有的 I/O 回调都会在轮询 I/O 后立刻被调用。但是有些情况下，回调可能会被推迟至下一次循环迭代中再执行。任何上一次循环中被推迟的回调，都将在这个时候得到执行。
执行闲置句柄回调（idle handle callbacks）。尽管它有个不怎么好听的名字，但只要这些闲置句柄是激活的，那么在每次循环迭代中它们都会执行。
执行预备回调（prepare handle）。预备回调会在循环为 I/O 阻塞前被调用。
开始计算轮询超时（poll timeout）。在为 I/O 阻塞前，事件循环会计算它即将会阻塞多长时间。以下为计算该超时的规则：

如果循环带着 UV_RUN_NOWAIT 标识执行，那么超时将会是 0 。

如果循环即将停止（uv_stop() 已在之前被调用），那么超时将会是 0 。
如果循环内没有激活的句柄和请求，那么超时将会是 0 。
如果循环内有激活的闲置句柄，那么超时将会是 0 。
如果有正在等待被关闭的句柄，那么超时将会是 0 。
如果不符合以上所有，那么该超时将会是循环内所有定时器中最早的一个超时时间，如果没有任何一个激活的定时器，那么超时将会是无限长（infinity）。
事件循环为 I/O 阻塞。此时事件循环将会为 I/O 阻塞，持续时间为上一步中计算所得的超时时间。所有与 I/O 相关的句柄都将会监视一个指定的文件描述符，等待一个其上的读或写操作来激活它们的回调。
执行检查句柄回调（check handle callbacks）。在事件循环为 I/O 阻塞结束后，检查句柄的回调将会立刻执行。检查句柄本质上是预备句柄的对应物（counterpart）。
执行关闭回调（close callbacks）。如果一个句柄通过调用 uv_close() 被关闭，那么这将会调用关闭回调。
尽管在为 I/O 阻塞后可能并没有 I/O 回调被触发，但是仍有可能这时已经有一些定时器已经超时。若事件循环是以 UV_RUN_ONCE 标识执行，那么在这时这些超时的定时器的回调将会在此时得到执行。
迭代结束。如果循环以 UV_RUN_NOWAIT 或 UV_RUN_ONCE 标识执行，迭代便会结束，并且 uv_run() 将会返回。如果循环以 UV_RUN_DEFAULT 标识执行，那么如果若它还是存活的，它就会开始下一次迭代，否则结束。

重要：虽然 libuv 的异步文件 I/O 操作是通过线程池实现的，但是网络 I/O 总是在单线程中执行的。

注意：虽然在不同平台上使用的轮询机制不同，但 libuv 的执行模型在不同平台下都是保持一致。