NodeJS 和 C++ 之间的类型转换

我非常喜欢使用 Node.js,但是当涉及到计算密集型的场景时 Node.js 就不能够很好地胜任了。而在这样的情况下 C++ 是一个很好的选择,非常幸运 Node.js 官方提供了C/C++ Addons 的机制让我们能够使用 V8 API 把 Node.js 和 C++ 结合起来。

虽然在 Node.js 官方网站有很多的关于怎么使用这些 API 的文档,但是在 JavaScript 和 C++ 之间传递数据是一件非常麻烦的事情,C++ 是强类型语言(”1024” 是字符串类型而不是整数类型),而 JavaScript 却总是默认的帮我们做一些类型转换。

JavaScript 的基本类型包括 String,Number,Boolean,null,undefined,V8 使用类继承的方式来定义这类型,这些类型都继承了 Primitive 类,而 Primitive 继承了 Value,v8 也支持整型(包括 Int32 和 Uint32),而所有的类型定义都可以从 V8 类型文档中看到,除了基本的类型,还有 Object,Array,Map 等类型的定义。

基本类型的继承关系如下图:

在 V8 中所有 JavaScript 值都是被放在 Local 对象中,通过这个对象指定了 JavaScript 运行时的内存单元。

下面这段代定义了一个 Number 类型的值,其中 Test 函数中声明的 isolate 变量代表着 V8 虚拟机中的堆内存,当创建新变量的时候就需要用到它,接下来的一行代码就通过 isolate 声明了一个 Number 类型的变量。

#include <node.h>
#include <v8.h>

using namespace v8;

void Test(const v8::FunctionCallbackInfo<v8::Value>& args) {
    Isolate* isolate = args.GetIsolate();
    // 声明变量
    Local<Number> retval = v8::Number::New(isolate, 1000);
}

void init(Local <Object> exports, Local<Object> module) {
    NODE_SET_METHOD(exports, "getTestValue", Test);
}

NODE_MODULE(returnValue, init)

看了 V8 类型 API 文档 你会发现对于基本的 JavaScript 类型,只有变量的声明而没有变量的赋值。最初想可能觉得这个非常的奇怪,可是仔细想一想后发现这个是合理的。主要由以下几点原因:

  • JavaScript 的基本类型是不可变类型,变量都是指向一个不可变的内存单元,var a = 10,则 a 指向的内存单元中包含的值为 5,重新赋值 a = 100,没有改变这个内存单元的值,而是使得 a 指向了另外一个内存单元,其中的值为 100。如果声明两个变量 x,y 的值都为 10,则他们指向的是同一个内存单元。
  • 函数的传参都是传值,而不是传引用,当在 JavaScript 中调用 C++ 的函数时,如果参数是基本类型则每次都是把这个值拷贝过去,改变参数的值不会影响原来的值。
  • 使用 Local<Value> 声明基本类型的变量都是对内存单元的引用,因为第一条原因不可能改变引用的值使其指向另外一个内存单元,因此不存在变量的重新赋值。

数据流向 C++ -> JavaScript

下面 demo 定义了一些常用的 JavaScript 类型,包括基本类型的以及 Object, Array, Fuction。

#include <node.h>
#include <v8.h>

using namespace v8;

void MyFunction(const v8::FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
    Isolate* isolate = args.GetIsolate();
    args.GetReturnValue().Set(String::NewFromUtf8(isolate, "Hello World!"));
}

void Test(const v8::FunctionCallbackInfo<v8::Value>& args) {
    Isolate* isolate = args.GetIsolate();

    // Number 类型的声明
    Local<Number> retval = v8::Number::New(isolate, 1000);

    // String 类型的声明
    Local<String> str = v8::String::NewFromUtf8(isolate, "Hello World!");

    // Object 类型的声明
    Local<Object> obj = v8::Object::New(isolate);
    // 对象的赋值
    obj->Set(v8::String::NewFromUtf8(isolate, "arg1"), str);
    obj->Set(v8::String::NewFromUtf8(isolate, "arg2"), retval);

    // Function 类型的声明并赋值
    Local<FunctionTemplate> tpl = v8::FunctionTemplate::New(isolate, MyFunction);
    Local<Function> fn = tpl->GetFunction();
    // 函数名字
    fn->SetName(String::NewFromUtf8(isolate, "theFunction"));
    obj->Set(v8::String::NewFromUtf8(isolate, "arg3"), fn);

    // Boolean 类型的声明
    Local<Boolean> flag = Boolean::New(isolate, true);
    obj->Set(String::NewFromUtf8(isolate, "arg4"), flag);

    // Array 类型的声明
    Local<Array> arr = Array::New(isolate);
    // Array 赋值
    arr->Set(0, Number::New(isolate, 1));
    arr->Set(1, Number::New(isolate, 10));
    arr->Set(2, Number::New(isolate, 100));
    arr->Set(3, Number::New(isolate, 1000));
    obj->Set(String::NewFromUtf8(isolate, "arg5"), arr);

    // Undefined 类型的声明
    Local<Value> und = Undefined(isolate);
    obj->Set(String::NewFromUtf8(isolate, "arg6"), und);

    // null 类型的声明
    Local<Value> null = Null(isolate);
    obj->Set(String::NewFromUtf8(isolate, "arg7"), null);

    // 返回给 JavaScript 调用时的返回值
    args.GetReturnValue().Set(obj);
}

void init(Local <Object> exports, Local<Object> module) {
    NODE_SET_METHOD(exports, "getTestValue", Test);
}

NODE_MODULE(returnValue, init)

所有的 addon 都需要一个初始化的函数,如下面的代码:

void Initialize(Local<Object> exports);
NODE_MODULE(module_name, Initialize)

Initialize 是初始化的函数,module_name 是编译后产生的二进制文件名,上述代码的模块名为returnValue

上述代码通过 node-gyp 编译后(编译过程官方文档 C/C++ Addons 有详细的介绍),可以通过如下的方式调用。

// returnValue.node 这个文件就是编译后产生的文件,通过 NODE_MODULE(returnValue, init) 决定的文件名
const returnValue = require('./build/Release/returnValue.node');
console.log(returnValue.getTestValue());

运行结果如下:

数据流向 javaScript -> C++

上面的 demo 展示了怎样在在 C++ 定义 JavaScript 类型,数据的是从 C++ 流向 JavaScript,反过来数据也需要从 javaScript 流向 C++,也就是调用 C++ 函数的时候需要传入一些参数。

下面的代码展示了参数个数判断,参数类型判断,以及参数类型装换成 V8 类型的过程,包括基本类型以及 Object, Array, Fuction。

#include <node.h>
#include <v8.h>
#include <iostream>

using namespace v8;
using namespace std;

void GetArgument(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
    Isolate* isolate = args.GetIsolate();

    // 参数长度判断
    if (args.Length() < 2) {
        isolate->ThrowException(Exception::TypeError(
            String::NewFromUtf8(isolate, "Wrong number of arguments")));
        return;
    }

    // 参数类型判断
    if (!args[0]->IsNumber() || !args[1]->IsNumber()) {
        //抛出错误
        isolate->ThrowException(Exception::TypeError(
            String::NewFromUtf8(isolate, "argumnets must be number")));
    }

    if (!args[0]->IsObject()) {
        printf("I am not Object\n");
    }

    if (!args[0]->IsBoolean()) {
        printf("I am not Boolean\n");
    }

    if (!args[0]->IsArray()) {
        printf("I am not Array\n");
    }

    if (!args[0]->IsString()) {
        printf("I am not String\n");
    }

    if (!args[0]->IsFunction()) {
        printf("I am not Function\n");
    }

    if (!args[0]->IsNull()) {
        printf("I am not Null\n");
    }

    if (!args[0]->IsUndefined()) {
        printf("I am not Undefined\n");
    }

    // js Number 类型转换成 v8 Number 类型
    Local<Number> value1 = Local<Number>::Cast(args[0]);
    Local<Number> value2 = Local<Number>::Cast(args[1]);
    double value = value1->NumberValue() + value2->NumberValue();

    // js String 类型转换成 v8 String 类型
    Local<String> str = Local<String>::Cast(args[2]);
    String::Utf8Value utfValue(str);
    cout<<string(*utfValue)<<endl;

    // js Array 类型转换成 v8 Array 类型
    Local<Array> input_array = Local<Array>::Cast(args[3]);
    printf("%d, %f %f\n", input_array->Length(), input_array->Get(0)->NumberValue(), input_array->Get(1)->NumberValue());

    // js Object 类型转换成 v8 Object 类型
    Local<Object> obj = Local<Object>::Cast(args[4]);

    // 根据 key 获取对象中的值
    Local<Value> a = obj->Get(String::NewFromUtf8(isolate, "a"));
    Local<Value> b = obj->Get(String::NewFromUtf8(isolate, "b"));

    // js Array 类型转换成 v8 Array 类型
    Local<Array> c = Local<Array>::Cast(obj->Get(String::NewFromUtf8(isolate, "c")));
    cout<<a->NumberValue()<<"   "<<b->NumberValue()<<endl;
    printf("%d, %f %f\n", c->Length(), c->Get(0)->NumberValue(), c->Get(1)->NumberValue());

    // js String 类型转换成 v8 String 类型
    Local<String> cString = Local<String>::Cast(c->Get(2));
    String::Utf8Value utfValueD(cString);
    cout<<string(*utfValueD)<<endl;

    // 根据 key 获取对象中的值
    Local<Object> d = Local<Object>::Cast(obj->Get(String::NewFromUtf8(isolate, "d")));
    Local<String> dString1 = Local<String>::Cast(d->Get(String::NewFromUtf8(isolate< "m"+));
    String::Utf8Value utfValued1(dString1);
    cout<<string(*utfValued1)<<endl;

    // 根据 key 获取对象中的值
    Local<String> dString2 = Local<String>::Cast(d->Get(String::NewFromUtf8(isolate, "n")));
    String::Utf8Value utfValued2(dString2);
    cout<<string(*utfValued2)<<endl;

    // js Booelan 类型转换成 v8 Boolean 类型
    Local<Boolean> FlagTrue = Local<Boolean>::Cast(args[5]);
    cout<<"Flag: "<<FlagTrue->BooleanValue()<<endl;

    // js Function 类型转换成 v8 Function 类型
    Local<Function> cb = Local<Function>::Cast(args[8]);
    const unsigned argc = 2;
    Local<Value> argv[2];
    argv[0] = a;
    argv[1] = b;
    cb->Call(Null(isolate), argc, argv);

    args.GetReturnValue().Set(value);
}

void Init(Local <Object> exports, Local <Object> module) {
    NODE_SET_METHOD(module, "exports", GetArgument);
}

NODE_MODULE(argumentss, Init)

通过 node-gyp 编译后,可以通过如下的方式调用。

const getArguments = require('./build/Release/arguments');

console.log(getArguments(2, 3, 'Hello Arguments', [1, 2, 3], {
        a: 10,
        b: 100,
        c: [23, 22, "我是33"],
        d: { m: '我是22', n: '我是23' }
    }, true, null, undefined,
    function myFunction(...args) {
        console.log('I am Function!');
        console.log(...args);
        console.log('I am Function!');
    }));

运行结果如下:

关于其他的类型,我这里就就不一一介绍,V8 文档里面都有对应的 API。

NAN

由于 V8 的 API 还没有彻底稳定下来,所以对于不同版本的 Node.js 类型相关的 API 会发生变化,而 NAN 帮我们做了封装,在编码的时候不需要关心版本问题,只需要引入相应的头文件即可。

引入头文件后,可以如下使用方式:

v8::Local<v8::Primitive> Nan::Undefined()
v8::Local<v8::Primitive> Nan::Null()

参考资料

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