编写原生Node.js模块

导语：当Javascript的性能需要优化，或者需要增强Javascript能力的时候，就需要依赖native模块来实现了。

应用场景

日常工作中，我们经常需要将原生的Node.js模块做为依赖并在项目中进行使用。下面有个列表，你可能对它们的名字很熟悉:

node-microtime: 扩展Javascript的时间精度
node-inspector：进行调试
v8-profiler：性能及内存使用分析

通常，我们开发原生Node.js模块包括但不仅限于以下原因：

对性能有比较苛刻要求的应用。尽管Node.js得益于libuv，在异步I/O操作很有优势，但遇到数字计算时并不是一个很好的选择。
使用更加低级的API，比如操作系统层面的。
在C/C++和Node.js之间创建一个Bridge，进行通信。

什么是原生模块？

Node.js Addons是动态链接的可共享对象，由C/C++编写而成。可以在Node.js中通过require()方法进行调用，使用起来像调用Node.js普通模块一样。 —— 来自Node.js官方文档

这意味着如果处理得当的话，模块调用者使用由C/C++编写的原生模块的方式和由Node.js编写的模块一样。想要编写Node.js addons，你需要了解一些基本知识：

推荐阅读这些资料。

创建Node.js的原生扩展模块

下面我以一个常见的动态规划问题-青蛙跳台阶为例子来说明如何创建一个原生的Node.js模块。青蛙跳台阶描述为：一只青蛙一次可以跳上一级台阶，也可以跳上2级台阶，求该青蛙跳上n级台阶的共有多少种跳法？

首先创建一个frog_jump.cc原生文件，.cc的意思是c with class，扩展名也可以是.cpp。Google Style Guide建议使用.cc，那么此处还是以.cc做为扩展名吧。代码如下：

#include <node.h>
#include<vector>

/**
 * Native method, calculate all ways frog jump to a target stair.
 */
int climbStairs(int n) {
  std::vector<int> dp(n);

  dp[1] = 1;
  dp[2] = 2;

  for (int i = 3; i <= n; i ++ ) {
    dp[i] = dp[i - 1] + dp[i - 2];
  }
  return dp[n];
}

/**
 * Export native method jumpTo
 */
void JumpTo(const v8::FunctionCallbackInfo<v8::Value>& args) {
  v8::Isolate* isolate = args.GetIsolate();

  // Check input type
  if (!args[0] -> IsNumber()) {
    isolate -> ThrowException(v8::Exception::TypeError(
      v8::String::NewFromUtf8(isolate, "Wrong arguments type!")));
  }

  int value = climbStairs(args[0] -> NumberValue());
  v8::Local<v8::Number> num = v8::Number::New(isolate, value);

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

// init is entry point.
void init(v8::Local<v8::Object> exports) {
  NODE_SET_METHOD(exports, "jumpTo", JumpTo);
}

NODE_MODULE(frog_jump, init)

对这段代码的解释：

#include "node.h" 是c++里面引入头文件的方式，具体源码：node.h，C++链接时会加载这个头文件。头文件里面引入了v8命名空间，我们可以通过v8::标志来访问v8的接口。访问所有v8的类型，都需要使用v8::标志
通过args对象来访问Node.js传递过来的参数，通过args也可以获取调用相关信息。
通过v8::Isolate*可以获取函数作用域，可以像JS里面一样进行变量赋值，而不用担心垃圾回收问题，垃圾回收器会自动进行。
args.GetReturnValue()可以对函数返回的结果进行设置。
任何原生Node.js模块都需要调用NODE_MODULE，NODE_MODULE是一个宏，它会进行模块注册操作。
C++ 有丰富的内置类型来保存数字或者字符串，但是JS只能识别v8::里面定义的类型。因此，将c++的变量赋值给JS时，需要转换成可以被JS识别的类型，也即是v8::定义的类型。比如v8::String、v8::Object。

编译原生的Node.js模块

一旦源代码编写完成，需要将它编译成二进制的addon.node文件，之后才能被Node.js require。为了完成编译操作，需要在项目的根目录创建binding.gyp文件，里面定义了Build的配置。binding.gyp的内容是一个JSON。

{
  "targets": [
    {
      "target_name": "frog_jump",
      "sources": [ "frog_jump.cc" ]
    }
  ]
}

虽然npm内置了一个node-gyp版本，但是这个版本没有开放给开发者进行调用。npm install的时候会调用它来进行编译和安装工作。因此，开发者想要调用node-gyp必须自己安装一个全局的node-gyp版本。

$ npm install node-gyp -g
$ node-gyp configure
$ node-gyp build

运行node-gyp configure命令会生成一个跨平台的build文件，unix环境会生成Makefile，windows环境会在build目录里面生成vcxproj。

运行node-gyp build命令会生成可被Node.js调动的addon.node二进制文件。

Node.js中调用原生模块

const frogJump = require('./build/Release/frog_jump');

frogJump.jumpTo(20);  //青蛙跳到第20个台阶的所有方法

项目源代码：frog-jump

后续

nan，即Native Abstractions for Node.js。它基于Node.js API接口，兼容所有Node版本，目前的最佳实践是基于nan来扩展原生模块，而不是直接使用Node.js API。

N-API，Node官方推出的用来编写原生Node扩展模块，是V8和nan的替代，目前处于实验阶段。