NativeScript工作原理

NativeScript是一个runtime，它提供一些机制可以使用JavaScript构建原生的IOS、Android甚至WP（未来会加入）应用。NativeScript有很多非常酷的功能，比如MVVM和CSS渲染原生UI。但是NativeScript最令人兴奋的是它使JavaScript可以直接调用native API。

这听起来可以会令人困惑，首先看一个例子，下面是使用NativeScript编写Android app的一段代码：

var time = new android.text.format.Time();

time.set( 1, 0, 2015 );

console.log( time.format( "%D" ) ); //01/01/15

上述的JavaScript代码实例化了一个Java对象android.text.format.Time，调用它的set方法和format方法并且在控制台输出log。

我们先不解释上述代码的实现原理，再看一个使用NativeScript编写IOS app的例子：

var alert = new UIAlertView();

alert.message = "Hello world!";

alert.addButtonWithTitle( "OK" );

alert.show();

上述的JavaScript代码实例化了一个Objective-C类UIAlertView，随后给它的message属性赋值，调用了addButtonWithTitle方法和show方法，运行效果如下图：

NativeScript并非只包含JavaScript化的Objective-C和Java代码，还集合了一系列的跨平台module，比如发送http请求、构建UI组件等等。大部分app都需要调用原生的API，NativeScript的runtime简化了原生API的调用方式。

这句话可以这么理解，Objective-C和Java也需要调用原生API并且调用方式存在差异，NativeScript削减了差异化，令原生API的调用方式更加简单统一。

下面我们看看NativeScript的工作原理。

1. NativeScript runtime

虽然NativeScript的代码看起来很神奇，但是内部的工作原理其实很简单。NativeScript本质上仍然是JavaScript，解析执行JavaScript的自然是JavaScript引擎。在不同的平台，NativeScript使用平台默认的JavaScript引擎，比如Android平台的V8引擎、IOS平台的JavaScriptCore。既然使用JavaScript引擎解析代码，那么所有的native API的调用语法必须写成规范的JavaScript语法，这样才可以被JavaScript引擎成功解析。

NativeScript使用的是最新稳定版本的V8和JavaScriptCore。因此，NativeScript对ECMAScript规范的支持情况与它使用JavaScript的引擎完全相同。也就是说，Android平台依赖V8对ECMAScript规范的实现程度，IOS依赖JavaScriptCore对ECMAScript规范的实现程度。

时刻谨记NativeScript是依赖JavaScript引擎这一点非常重要。

我们再看第一个例子中的第一行代码：

var time = new android.text.format.Time();

在Android平台，上述NativeScript代码由V8及时编译（JIT Compiled）并执行。对于简单的表达式（比如var x = 1 + 2），我们很容易理解是怎么工作的。但是V8是如何识别android.text.format.Time的呢？

2. NativeScript如何操作JavaScript引擎

V8之所以能够识别android对象是由于NativeScript runtime把它注入到了JavaScript运行环境中。V8提供了大量的API供使用者配置个性化的JavaScript运行环境，甚至可以注入C++代码用来统计JavaScript的CPU使用情况、管理JavaScript的GC等等。

在这些API当中，有些Context类可以提供操作全局作用域的API，这就是NativeScript之所以能够在全局作用域内注入android对象的原理。这种原理其实与Node.js全局方法（比如require()）的实现原理相同。IOS的JavaScriptCore引擎也提供了类似的机制。

我们再回顾一下之前的代码：

var time = new android.text.format.Time();

现在我们知道了这段代码运行在V8上，并且V8可以识别android.text.format.Time()是因为NativeScript在全局作用域内注入了android对象。但是仍然有很多疑问没有解决，比如NativeScript如何知道需要注入哪些API？NativeScript如何知道调用Time()会产生什么效果？

下面我们依次解决这些疑问。

3. Metadata（元数据）

NativeScript通过reflection（反射）来构建它所运行平台的可用API。不熟悉其他编程语言的JavaScript开发者可能并不了解reflection，JavaScript是一门非常自由的语言，并不需要reflection。但是在其他编程语言中，尤其是Java，reflection是在runtime时获取某个class详细信息的唯一途径。

可以简单的把reflection理解为在runtime（运行时）而不是编译期获取某个object或class完整结构的途径。reflection的详细介绍感兴趣的可以参考这里。

NativeScript使用reflection构建了适用于各平台的API列表。从性能角度来讲，生成这些API数据是非常有必要的，NativeScript在编译之前生成这些数据，然后在Android/IOS编译阶段嵌入已生成的元数据。

了解了以上机制之后，我们再回顾一下之前的代码：

var time = new android.text.format.Time();

现在我们知道了以上代码之所以能够在V8上运行，使因为NativeScript注入了android.text.format.Time对象。NativeScript通过一个独立的元数据处理过程中明确了需要注入的API，并且在Android和IOS的编译阶段嵌入了所需的元数据。

好，我们继续解答下一个问题：NativeScript是如何将JavaScript的Time()调用映射到原生的android.text.format.Time()调用呢？

4. 原生代码的唤起机制

NativeScript唤起原生代码调用同样依赖于JavaScript引擎的API。上文提到了NativeScript如何对V8引擎注入全局变量，接下来介绍如何通过回调函数实现在JavaScript代码中调用C++代码。

比如在执行new android.text.format.Time()这段代码，V8引擎将会产生一个回调函数。利用这种机制，NativeScript可以监听JavaScript函数的调用，并且在V8回调函数里执行C++代码，从而实现原生代码的调用。

这里提到的回调函数并不是JavaScript的回调函数，而是V8引擎内部的C++函数。V8解析执行JavaScript函数时首先将JavaScript函数映射为C++函数，然后再执行。

Android平台下，NativeScript的C++代码不能直接调用Java的API（比如android.text.format.Time）。这种情况下需要借助Android平台的JNI（Java Native Interface，Java本地接口）实现C++与Java的桥接。借助于JNI，NativeScript便可以调用Android平台的原生Java API。

IOS平台并不需要类似JNI的桥接机制，因为C++可以直接唤起Objective-C的调用。

了解了以上机制，我们再回顾一下之前的代码：

var time = new android.text.format.Time();

上文的描述中，我们知道以上代码可以执行的原理是NativeScript通过单独的元数据生成过程注入了JavaScript引擎android全局对象。然后在执行Time()函数时，依次发生了以下行为：

V8回调函数执行；
NativeScript runtime通过元数据明确Time()的行为是实例化native对象android.text.format.Time；
NativeScript runtime通过JNI实例化android.text.format.Time对象并且保持对这个对象的引用；
NativeScript runtime返回一个JavaScript对象用来代理Java本地对象android.text.format.Time；
回到JavaScript运行环境中，第4步返回的代理对象储存在本地变了time中。

这里提到的代理对象是NativeScript用来维持JavaScript对象和native对象的映射关系（mapping）。比如执行以下JavaScript代码：

var time = new android.text.format.Time();

time.set( 1, 0, 2015 );

根据生成的元数据，NativeScript知道代理对象time的所用API。按照上述步骤，当调用JavaScript函数Time()时，V8执行对应的回调函数，NativeScript监测到函数的调用，便通过JNI唤起Java的Time对象的调用。

以上便是NativeScript的工作原理。

至于如何将Objective-C对象和Java对象映射为JavaScript对象，这部分工作非常复杂，因为必须考虑到每种编程语言实现继承模式的差异。感兴趣的可以参考IOS的实现方案和Android的实现方案。

通过以上内容，虽然我们知道了如何使用JavaScript代码调用原生API，但是如果针对每个不同平台都分别编写对应的代码，仍然不能够实现“write once，run anywhere”。为了实现这个目标，NativeScript提供了一种非常强大的功能：NativeScript modules。

5. NativeScript modules

NativeScript modules的原理与Node Modules的原理类似，同样遵循CommonJS规范，如果你熟悉Node中require()和exports的工作原理，那么NativeScript modules对你来说便非常容易入手了。

NativeScript modules把各平台专有的API封装成与平台无关的API（类似大家熟知的JavaScript各种兼容性工厂函数）。比如现在我们需要调用各平台的file API，针对Android平台的代码如下：

new java.io.File( path );

针对IOS平台的代码如下：

NSFileManager.defaultManager();

fileManager.createFileAtPathContentsAttributes( path );

是不是很麻烦？但是如果使用NativeScript file-system module，你只需要使用统一的API：

var fs = require( "file-system" );

var file = new fs.File( path );

如果你已经掌握了本文提到的NativeScript工作原理，便可以很容易的编写NativeScript Module。比如要编写一个module来获取设备OS的版本：

// device.ios.js

module.exports = {

    version: UIDevice.currentDevice().systemVersion

}

// device.android.js

module.exports = {

    version: android.os.Build.VERSION.RELEASE

}

调用上述Module的方式与调用npm模块相同，使用require()如下：

var device = require( "./device" );

console.log( device.version );

NativeScript Module降低了web开发者开发native应用的门槛，即使你不熟悉native API，也可以花费非常少的时间阅读各平台的API文档，然后编写一个NativeScript Module来增加后续的开发效率。

6. 总结

本文简单介绍了NativeScript的工作原理，总结如下：

通过reflection获取native API的详细结构，并生成元数据。这些行为都是在runtime中JIT编译；
根据生成的元数据信息，NativeScript利用JavaScript引擎的callback机制向JavaScript运行环境中注入需要的JavaScript全局对象。这些全局对象本质上是native对象的代理对象；
通过NativeScript Modules统一API。

深入学习资料：

UI Layout机制;
UI组件。