通過源碼解析 Node.js 啟動時第一個執(zhí)行的 js 文件：bootstrap_node.js

TNFE 發(fā)布于2019-08-19 18:12 / 3458人閱讀

摘要：注很多以前的源碼分析文章中，所寫的第一個執(zhí)行的文件代碼為，但這個文件在中已被移除，并被拆解為了等其他下的文件，為正文作為第一段被執(zhí)行的代碼，它的歷史使命免不了就是進行一些環(huán)境和全局變量的初始化工作。

大家可能會好奇，在 Node.js 啟動后，第一個執(zhí)行的 JavaScript 文件會是哪個？它具體又會干些什么事？

一步步來看，翻開 Node.js 的源碼，不難看出，入口文件在 src/node_main.cc 中，主要任務(wù)為將參數(shù)傳入 node::Start 函數(shù)：

// src/node_main.cc
// ...

int main(int argc, char *argv[]) {
  setvbuf(stderr, NULL, _IOLBF, 1024);
  return node::Start(argc, argv);
}

node::Start 函數(shù)定義于 src/node.cc 中，它進行了必要的初始化工作后，會調(diào)用 StartNodeInstance ：

// src/node.cc
// ...

int Start(int argc, char** argv) {
    // ...
    NodeInstanceData instance_data(NodeInstanceType::MAIN,
                                   uv_default_loop(),
                                   argc,
                                   const_cast(argv),
                                   exec_argc,
                                   exec_argv,
                                   use_debug_agent);
    StartNodeInstance(&instance_data);
}

而在 StartNodeInstance 函數(shù)中，又調(diào)用了 LoadEnvironment 函數(shù)，其中的 ExecuteString(env, MainSource(env), script_name); 步驟，便執(zhí)行了第一個 JavaScript 文件代碼：

// src/node.cc
// ...
void LoadEnvironment(Environment* env) { 
  // ...
  Local f_value = ExecuteString(env, MainSource(env), script_name);
  // ...
}

static void StartNodeInstance(void* arg) {
  // ...
  {
      Environment::AsyncCallbackScope callback_scope(env);
      LoadEnvironment(env);
  }
  // ...
}

// src/node_javascript.cc
// ...

Local MainSource(Environment* env) {
  return String::NewFromUtf8(
      env->isolate(),
      reinterpret_cast(internal_bootstrap_node_native),
      NewStringType::kNormal,
      sizeof(internal_bootstrap_node_native)).ToLocalChecked();
}

其中的 internal_bootstrap_node_native ，即為 lib/internal/bootstrap_node.js 中的代碼。（注：很多以前的 Node.js 源碼分析文章中，所寫的第一個執(zhí)行的 JavaScript 文件代碼為 src/node.js ，但這個文件在 Node.js v5.10 中已被移除，并被拆解為了 lib/internal/bootstrap_node.js 等其他 lib/internal 下的文件，PR 為： https://github.com/nodejs/node/pull/5103 ）

正文

作為第一段被執(zhí)行的 JavaScript 代碼，它的歷史使命免不了就是進行一些環(huán)境和全局變量的初始化工作。代碼的整體結(jié)構(gòu)很簡單，所有的初始化邏輯都被封裝在了 startup 函數(shù)中：

// lib/internal/bootstrap_node.js
"use strict";

(function(process) {
  function startup() {
    // ...
  }
  // ...
  startup();
});

而在 startup 函數(shù)中，邏輯可以分為四塊：

初始化全局 process 對象上的部分屬性 / 行為

初始化全局的一些 timer 方法

初始化全局 console 等對象

開始執(zhí)行用戶執(zhí)行指定的 JavaScript 代碼

讓我們一個個來解析。

初始化全局 process 對象上的部分屬性 / 行為 添加 process 上 uncaughtException 事件的默認行為

在 Node.js 中，如果沒有為 process 上的 uncaughtException 事件注冊監(jiān)聽器，那么該事件觸發(fā)時，將會導致進程退出，這個行為便是在 startup 函數(shù)里添加的：

// lib/internal/bootstrap_node.js
"use strict";

(function(process) {
  function startup() {
    setupProcessFatal();
  }
  // ...

  function setupProcessFatal() {

    process._fatalException = function(er) {
      var caught;
      // ...
      if (!caught)
        caught = process.emit("uncaughtException", er);

      if (!caught) {
        try {
          if (!process._exiting) {
            process._exiting = true;
            process.emit("exit", 1);
          }
        } catch (er) {
        }
      } 
      // ...
      return caught;
    };
  }
});

邏輯十分直白，使用到了 EventEmitter#emit 的返回值來判斷該事件上是否有注冊過的監(jiān)聽器，并最終調(diào)用 c++ 的 exit() 函數(shù)退出進程：

// src/node.cc
// ...

void FatalException(Isolate* isolate,
                    Local error,
                    Local message) {
  // ...
  Local caught =
      fatal_exception_function->Call(process_object, 1, &error);
      
  // ...
  if (false == caught->BooleanValue()) {
    ReportException(env, error, message);
    exit(1);
  }
}

根據(jù) Node.js 在啟動時所帶的某些參數(shù)，來調(diào)整 process 上 warning 事件觸發(fā)時的行為

具體來說，這些參數(shù)是：--no-warnings，--no-deprecation，--trace-deprecation 和 --throw-deprecation。這些參數(shù)的有無信息，會先被掛載在 process 對象上：

// src/node.cc
// ...

  if (no_deprecation) {
    READONLY_PROPERTY(process, "noDeprecation", True(env->isolate()));
  }

  if (no_process_warnings) {
    READONLY_PROPERTY(process, "noProcessWarnings", True(env->isolate()));
  }

  if (trace_warnings) {
    READONLY_PROPERTY(process, "traceProcessWarnings", True(env->isolate()));
  }

  if (throw_deprecation) {
    READONLY_PROPERTY(process, "throwDeprecation", True(env->isolate()));
  }

然后根據(jù)這些信息，控制行為：

// lib/internal/bootstrap_node.js
"use strict";

(function(process) {
  function startup() {
    // ...
    NativeModule.require("internal/process/warning").setup();
  }
  // ...
  startup();
});

// lib/internal/process/warning.js
"use strict";

const traceWarnings = process.traceProcessWarnings;
const noDeprecation = process.noDeprecation;
const traceDeprecation = process.traceDeprecation;
const throwDeprecation = process.throwDeprecation;
const prefix = `(${process.release.name}:${process.pid}) `;

exports.setup = setupProcessWarnings;

function setupProcessWarnings() {
  if (!process.noProcessWarnings) {
    process.on("warning", (warning) => {
      if (!(warning instanceof Error)) return;
      const isDeprecation = warning.name === "DeprecationWarning";
      if (isDeprecation && noDeprecation) return;
      const trace = traceWarnings || (isDeprecation && traceDeprecation);
      if (trace && warning.stack) {
        console.error(`${prefix}${warning.stack}`);
      } else {
        var toString = warning.toString;
        if (typeof toString !== "function")
          toString = Error.prototype.toString;
        console.error(`${prefix}${toString.apply(warning)}`);
      }
    });
  }
  // ...
}

具體行為的話，文檔中已經(jīng)有詳細說明，邏輯總結(jié)來說，就是按需將警告打印到控制臺，或者按需拋出特定的異常。其中 NativeModule 對象為 Node.js 在當前的函數(shù)體的局部作用域內(nèi)，實現(xiàn)的一個最小可用的模塊加載器，具有緩存等基本功能。

為 process 添加上 stdin, stdout 和 stderr 屬性

通常為 tty.ReadStream 類和 tty.WriteStream 類的實例：

// lib/internal/bootstrap_node.js
"use strict";

(function(process) {
  function startup() {
    // ...
    NativeModule.require("internal/process/stdio").setup();
  }
  // ...
  startup();
});

// lib/internal/process/stdio.js
// ...

function setupStdio() {
  var stdin, stdout, stderr;

  process.__defineGetter__("stdout", function() {
    if (stdout) return stdout;
    stdout = createWritableStdioStream(1);
    // ...
    return stdout
  }

  process.__defineGetter__("stderr", function() {
    if (stderr) return stderr;
    stderr = createWritableStdioStream(2);
    // ...
    return stderr;
  });

  process.__defineGetter__("stdin", function() {
    if (stdin) return stdin;

    var tty_wrap = process.binding("tty_wrap");
    var fd = 0;

    switch (tty_wrap.guessHandleType(fd)) {
      case "TTY":
        var tty = require("tty");
        stdin = new tty.ReadStream(fd, {
          highWaterMark: 0,
          readable: true,
          writable: false
        });
        break;
      // ...
    }
    return stdin;
  }
}

function createWritableStdioStream(fd) {
  var stream;
  var tty_wrap = process.binding("tty_wrap");

  // Note stream._type is used for test-module-load-list.js

  switch (tty_wrap.guessHandleType(fd)) {
    case "TTY":
      var tty = require("tty");
      stream = new tty.WriteStream(fd);
      stream._type = "tty";
      break;
    // ...    
  }
  // ...
}

為 process 添加上 nextTick 方法

具體的做法便是將注冊的回調(diào)推進隊列中，等待事件循環(huán)的下一次 Tick ，一個個取出執(zhí)行：

// lib/internal/bootstrap_node.js
"use strict";

(function(process) {
  function startup() {
    // ...
    NativeModule.require("internal/process/next_tick").setup();
  }
  // ...
  startup();
});

// lib/internal/process/next_tick.js
"use strict";

exports.setup = setupNextTick;

function setupNextTick() {
  var nextTickQueue = [];
  // ...
  var kIndex = 0;
  var kLength = 1;

  process.nextTick = nextTick;
  process._tickCallback = _tickCallback;

  function _tickCallback() {
    var callback, args, tock;

    do {
      while (tickInfo[kIndex] < tickInfo[kLength]) {
        tock = nextTickQueue[tickInfo[kIndex]++];
        callback = tock.callback;
        args = tock.args;
        _combinedTickCallback(args, callback);
        if (1e4 < tickInfo[kIndex])
          tickDone();
      }
      tickDone();
    } while (tickInfo[kLength] !== 0);
  }

  function nextTick(callback) {
    if (typeof callback !== "function")
      throw new TypeError("callback is not a function");
    if (process._exiting)
      return;

    var args;
    if (arguments.length > 1) {
      args = new Array(arguments.length - 1);
      for (var i = 1; i < arguments.length; i++)
        args[i - 1] = arguments[i];
    }

    nextTickQueue.push(new TickObject(callback, args));
    tickInfo[kLength]++;
  }
}
// ...

為 process 添加上 hrtime, kill, exit 方法

// lib/internal/bootstrap_node.js
"use strict";

(function(process) {
  function startup() {
    // ...
    _process.setup_hrtime();
    _process.setupKillAndExit();
  }
  // ...
  startup();
});

這些功能的核心實現(xiàn)也重度依賴于 c++ 函數(shù)：

hrtime 方法依賴于 libuv 提供的 uv_hrtime() 函數(shù)

kill 方法依賴于 libuv 提供的 uv_kill(pid, sig) 函數(shù)

exit 方法依賴于 c++ 提供的 exit(code) 函數(shù)

初始化全局的一些 timer 方法和 console 等對象

這些初始化都干的十分簡單，直接賦值：

// lib/internal/bootstrap_node.js
"use strict";

(function(process) {
  function startup() {
    // ...
    setupGlobalVariables();
    if (!process._noBrowserGlobals) {
      setupGlobalTimeouts();
      setupGlobalConsole();
    }
    
    function setupGlobalVariables() {
      global.process = process;
      // ...
      global.Buffer = NativeModule.require("buffer").Buffer;
      process.domain = null;
      process._exiting = false;
    }
    
    function setupGlobalTimeouts() {
      const timers = NativeModule.require("timers");
      global.clearImmediate = timers.clearImmediate;
      global.clearInterval = timers.clearInterval;
      global.clearTimeout = timers.clearTimeout;
      global.setImmediate = timers.setImmediate;
      global.setInterval = timers.setInterval;
      global.setTimeout = timers.setTimeout;
    }

    function setupGlobalConsole() {
      global.__defineGetter__("console", function() {
        return NativeModule.require("console");
      });
    }
  }
  // ...
  startup();
});

值得注意的一點是，由于 console 是通過 __defineGetter__ 賦值給 global 對象的，所以在嚴格模式下給它賦值將會拋出異常，而非嚴格模式下，賦值將被忽略。

開始執(zhí)行用戶執(zhí)行指定的 JavaScript 代碼

這一部分的邏輯已經(jīng)在之前的文章中有所闡述，這邊就不再重復說明啦。

最后

還是再次總結(jié)下:

lib/internal/bootstrap_node.js 中的代碼為 Node.js 執(zhí)行后第一段被執(zhí)行的 JavaScript 代碼，從 src/node.cc 中的 node::LoadEnvironment 被調(diào)用

lib/internal/bootstrap_node.js 主要進行了一些初始化工作：

初始化全局 process 對象上的部分屬性 / 行為

添加接收到 uncaughtException 事件時的默認行為

根據(jù) Node.js 啟動時參數(shù)，調(diào)整 warning 事件的行為

添加上 stdin，stdout 和 stderr 屬性

添加上 nextTick，hrtime，exit 方法

初始化全局的一些 timer 方法

初始化全局 console 等對象

開始執(zhí)行用戶執(zhí)行指定的 JavaScript 代碼

參考

https://github.com/nodejs/node/blob/master/src/node.cc

https://github.com/nodejs/node/blob/master/src/node_javascript.cc

https://github.com/nodejs/node/blob/master/lib/internal/process.js

https://github.com/nodejs/node/blob/master/lib/internal/process/next_tick.js

https://github.com/nodejs/node/blob/master/lib/internal/process/stdio.js

https://github.com/nodejs/node/blob/master/lib/internal/process/warning.js

https://github.com/nodejs/node/blob/master/lib/internal/bootstrap_node.js

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