JavaScript内核与高级编程之：`Node.js`的`N-API`：如何实现`C++`和`JavaScript`的性能交互。

好嘞，各位观众老爷们，今天咱们来聊聊Node.js里一个神奇的东西——N-API！ 这玩意儿能让你的JavaScript和C++谈笑风生，一起搞事情。 想让你的Node.js应用跑得飞快，又想用C++的底层能力？ 那就跟紧我的步伐，咱们这就开始！

开场白：JavaScript，你不再孤单！

话说Node.js，作为JavaScript runtime环境，让JavaScript也能在服务器端称王称霸。 但是呢，JavaScript毕竟是门高级语言，有些时候，性能上总会遇到瓶颈。 比如，你想做个图像处理、音视频编解码、或者搞搞密码学，用JavaScript实现可能慢到让你怀疑人生。

这时候，C++就跳出来说：“别怕，老铁！ 我来帮你！” C++可是个性能猛兽，擅长底层操作。但是，JavaScript和C++，一个是优雅的绅士，一个是粗犷的汉子，怎么才能让他们和平共处，一起干活呢？

答案就是：N-API (Node.js API)。

N-API：JavaScript和C++的鹊桥

N-API，顾名思义，是Node.js提供的一套API，它定义了一组稳定的接口，让C++代码可以被Node.js加载和调用。 有了N-API，你就可以用C++写高性能的模块，然后用JavaScript调用它们，简直是如虎添翼！

最关键的是，N-API是ABI稳定的。 这意味着，只要你的C++模块是用N-API编写的，即使Node.js版本升级了，你的模块也不需要重新编译，依然可以正常运行！ 这可省了老鼻子劲儿了！

N-API的优点，简直不要太多！

• 性能提升： 用C++编写性能敏感的代码，让你的Node.js应用飞起来！
• 代码重用： 可以把现有的C/C++库集成到Node.js应用中，避免重复造轮子。
• ABI稳定： Node.js版本升级不用怕，模块无需重新编译！
• 跨平台： C++代码可以编译成不同平台的模块，实现跨平台运行。

N-API实战：Hello World！

光说不练假把式，咱们来写一个简单的N-API模块，实现一个Hello World功能。

1. 创建项目目录：

   mkdir hello-napi
   cd hello-napi

2. 初始化npm：

   npm init -y

3. 安装node-gyp：

   node-gyp 是一个跨平台命令行工具，用于编译 Node.js 原生插件。

   npm install -g node-gyp

4. 创建hello.cc文件：

   #include <node_api.h>
   #include <iostream>
   
   napi_value Hello(napi_env env, napi_callback_info info) {
     napi_status status;
     napi_value greeting;
   
     status = napi_create_string_utf8(env, "Hello, N-API!", NAPI_AUTO_LENGTH, &greeting);
     if (status != napi_ok) {
       napi_throw_error(env, NULL, "Unable to create greeting string");
       return NULL;
     }
   
     return greeting;
   }
   
   napi_value Init(napi_env env, napi_value exports) {
     napi_status status;
     napi_value fn;
   
     status = napi_create_function(env, NULL, 0, Hello, NULL, &fn);
     if (status != napi_ok) {
         napi_throw_error(env, NULL, "Unable to create Hello function");
         return NULL;
     }
   
     status = napi_set_named_property(env, exports, "hello", fn);
     if (status != napi_ok) {
         napi_throw_error(env, NULL, "Unable to populate exports");
         return NULL;
     }
   
     return exports;
   }
   
   NAPI_MODULE(NODE_GYP_MODULE_NAME, Init)

   • #include <node_api.h>：引入N-API头文件。
   • napi_value Hello(napi_env env, napi_callback_info info)：定义一个函数，这个函数会被JavaScript调用。
     • napi_env env：N-API环境。
     • napi_callback_info info：函数调用信息，例如传入的参数。
   • napi_create_string_utf8：创建一个UTF-8字符串。
   • napi_throw_error：抛出一个JavaScript错误。
   • napi_value Init(napi_env env, napi_value exports)：模块初始化函数，在这个函数里注册C++函数，让JavaScript可以调用。
     • exports：Node.js的module.exports对象。
   • napi_create_function：创建一个JavaScript函数。
   • napi_set_named_property：给exports对象设置一个属性。
   • NAPI_MODULE(NODE_GYP_MODULE_NAME, Init)：声明这是一个N-API模块，并指定初始化函数。

5. 创建binding.gyp文件：

   这个文件告诉node-gyp如何编译你的C++代码。

   {
     "targets": [
       {
         "target_name": "hello",
         "sources": [ "hello.cc" ],
         "include_dirs": [
           "<!@(node -p "require('node-addon-api').include")"
         ],
         'defines': [ 'NAPI_DISABLE_CPP_EXCEPTIONS' ]
       }
     ]
   }

   • target_name: 生成的模块的名字。
   • sources: C++源文件列表。
   • include_dirs: 包含的头文件目录。这里使用了node-addon-api来简化N-API的使用。
   • defines: 定义编译选项。 NAPI_DISABLE_CPP_EXCEPTIONS可以提升性能，但需要更谨慎的处理错误。

6. 安装node-addon-api：

   虽然不是必须的，但是它可以简化N-API的使用。

   npm install node-addon-api

7. 编译C++模块：

   node-gyp configure
   node-gyp build

   编译成功后，会在build/Release目录下生成一个hello.node文件。

8. 创建index.js文件：

   const hello = require('./build/Release/hello.node');
   
   console.log(hello.hello()); // 输出: Hello, N-API!

9. 运行JavaScript代码：

   node index.js

   恭喜你！ 你成功地用N-API写了一个Hello World模块！

N-API的进阶玩法

Hello World只是个开始，N-API的功能远不止于此。 咱们再来看看一些更高级的用法。

1. 传递参数：

   C++函数可以接收JavaScript传递过来的参数。

   // hello.cc
   #include <node_api.h>
   #include <string>
   
   napi_value Greet(napi_env env, napi_callback_info info) {
     napi_status status;
   
     size_t argc = 1;
     napi_value args[1];
     status = napi_get_cb_info(env, info, &argc, args, NULL, NULL);
     if (status != napi_ok) {
       napi_throw_error(env, NULL, "Failed to parse arguments");
       return NULL;
     }
   
     if (argc < 1) {
       napi_throw_type_error(env, NULL, "Wrong number of arguments");
       return NULL;
     }
   
     napi_valuetype argType;
     status = napi_typeof(env, args[0], &argType);
     if (status != napi_ok) {
         napi_throw_error(env, NULL, "Failed to determine argument type");
         return NULL;
     }
   
     if (argType != napi_string) {
         napi_throw_type_error(env, NULL, "Argument must be a string");
         return NULL;
     }
   
     size_t strLength;
     status = napi_get_value_string_utf8(env, args[0], NULL, 0, &strLength);
     if (status != napi_ok) {
         napi_throw_error(env, NULL, "Failed to get string length");
         return NULL;
     }
   
     char* buffer = new char[strLength + 1];
     status = napi_get_value_string_utf8(env, args[0], buffer, strLength + 1, &strLength);
     if (status != napi_ok) {
         napi_throw_error(env, NULL, "Failed to get string value");
         delete[] buffer;
         return NULL;
     }
   
     std::string name(buffer);
     delete[] buffer;
   
     std::string greeting = "Hello, " + name + "!";
   
     napi_value result;
     status = napi_create_string_utf8(env, greeting.c_str(), NAPI_AUTO_LENGTH, &result);
     if (status != napi_ok) {
         napi_throw_error(env, NULL, "Failed to create return string");
         return NULL;
     }
   
     return result;
   }
   
   napi_value Init(napi_env env, napi_value exports) {
     napi_status status;
     napi_value fn;
   
     status = napi_create_function(env, NULL, 0, Greet, NULL, &fn);
     if (status != napi_ok) {
         napi_throw_error(env, NULL, "Unable to create Greet function");
         return NULL;
     }
   
     status = napi_set_named_property(env, exports, "greet", fn);
     if (status != napi_ok) {
         napi_throw_error(env, NULL, "Unable to populate exports");
         return NULL;
     }
   
     return exports;
   }
   
   NAPI_MODULE(NODE_GYP_MODULE_NAME, Init)

   // index.js
   const hello = require('./build/Release/hello.node');
   
   console.log(hello.greet('World')); // 输出: Hello, World!

   • napi_get_cb_info：获取函数调用信息，包括参数。
   • napi_get_value_string_utf8：获取字符串参数的值。

2. 返回复杂对象：

   C++函数可以返回JavaScript对象，数组等复杂数据结构。

   // hello.cc
   #include <node_api.h>
   
   napi_value CreateObject(napi_env env, napi_callback_info info) {
     napi_status status;
     napi_value obj;
   
     status = napi_create_object(env, &obj);
     if (status != napi_ok) {
       napi_throw_error(env, NULL, "Failed to create object");
       return NULL;
     }
   
     napi_value name;
     status = napi_create_string_utf8(env, "John Doe", NAPI_AUTO_LENGTH, &name);
     if (status != napi_ok) {
       napi_throw_error(env, NULL, "Failed to create name string");
       return NULL;
     }
   
     status = napi_set_named_property(env, obj, "name", name);
     if (status != napi_ok) {
       napi_throw_error(env, NULL, "Failed to set name property");
       return NULL;
     }
   
     napi_value age;
     status = napi_create_number(env, 30, &age);
     if (status != napi_ok) {
       napi_throw_error(env, NULL, "Failed to create age number");
       return NULL;
     }
   
     status = napi_set_named_property(env, obj, "age", age);
     if (status != napi_ok) {
       napi_throw_error(env, NULL, "Failed to set age property");
       return NULL;
     }
   
     return obj;
   }
   
   napi_value Init(napi_env env, napi_value exports) {
     napi_status status;
     napi_value fn;
   
     status = napi_create_function(env, NULL, 0, CreateObject, NULL, &fn);
     if (status != napi_ok) {
         napi_throw_error(env, NULL, "Unable to create CreateObject function");
         return NULL;
     }
   
     status = napi_set_named_property(env, exports, "createObject", fn);
     if (status != napi_ok) {
         napi_throw_error(env, NULL, "Unable to populate exports");
         return NULL;
     }
   
     return exports;
   }
   
   NAPI_MODULE(NODE_GYP_MODULE_NAME, Init)

   // index.js
   const hello = require('./build/Release/hello.node');
   
   const obj = hello.createObject();
   console.log(obj); // 输出: { name: 'John Doe', age: 30 }

   • napi_create_object：创建一个JavaScript对象。
   • napi_create_number：创建一个JavaScript数字。
   • napi_set_named_property：给对象设置属性。

3. 异步操作：

   如果C++函数需要执行耗时的操作，可以使用异步操作，避免阻塞Node.js事件循环。

   // hello.cc
   #include <node_api.h>
   #include <thread>
   #include <chrono>
   
   struct AsyncContext {
     napi_async_work work;
     napi_deferred deferred;
     napi_promise promise;
     napi_env env;
     std::string result;
   };
   
   void Execute(napi_env env, void* data) {
     AsyncContext* context = static_cast<AsyncContext*>(data);
   
     // 模拟耗时操作
     std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
   
     context->result = "Async Operation Complete!";
   }
   
   void Complete(napi_env env, napi_status status, void* data) {
     AsyncContext* context = static_cast<AsyncContext*>(data);
     napi_value result;
   
     if (status != napi_ok) {
       napi_reject_deferred(env, context->deferred, NULL);
     } else {
       napi_create_string_utf8(env, context->result.c_str(), NAPI_AUTO_LENGTH, &result);
       napi_resolve_deferred(env, context->deferred, result);
     }
   
     napi_delete_async_work(env, context->work);
     delete context;
   }
   
   napi_value AsyncHello(napi_env env, napi_callback_info info) {
     napi_status status;
   
     AsyncContext* context = new AsyncContext();
     context->env = env;
   
     status = napi_create_promise(env, &context->deferred, &context->promise);
     if (status != napi_ok) {
       napi_throw_error(env, NULL, "Failed to create promise");
       delete context;
       return NULL;
     }
   
     status = napi_create_async_work(
         env,
         NULL,
         "AsyncHello",
         Execute,
         Complete,
         context,
         &context->work);
   
     if (status != napi_ok) {
       napi_throw_error(env, NULL, "Failed to create async work");
       napi_reject_deferred(env, context->deferred, NULL);
       delete context;
       return NULL;
     }
   
     status = napi_queue_async_work(env, context->work);
     if (status != napi_ok) {
       napi_throw_error(env, NULL, "Failed to queue async work");
       napi_reject_deferred(env, context->deferred, NULL);
       delete context;
       return NULL;
     }
   
     return context->promise;
   }
   
   napi_value Init(napi_env env, napi_value exports) {
     napi_status status;
     napi_value fn;
   
     status = napi_create_function(env, NULL, 0, AsyncHello, NULL, &fn);
     if (status != napi_ok) {
         napi_throw_error(env, NULL, "Unable to create AsyncHello function");
         return NULL;
     }
   
     status = napi_set_named_property(env, exports, "asyncHello", fn);
     if (status != napi_ok) {
         napi_throw_error(env, NULL, "Unable to populate exports");
         return NULL;
     }
   
     return exports;
   }
   
   NAPI_MODULE(NODE_GYP_MODULE_NAME, Init)

   // index.js
   const hello = require('./build/Release/hello.node');
   
   hello.asyncHello().then((result) => {
     console.log(result); // 输出: Async Operation Complete! (2秒后)
   });
   
   console.log('Async Operation Started...');

   • napi_create_async_work：创建一个异步工作。
   • napi_queue_async_work：将异步工作加入队列。
   • Execute：在后台线程中执行的函数。
   • Complete：异步操作完成后执行的函数。 这里使用promise来处理异步结果。

N-API的注意事项

• 内存管理： C++需要手动管理内存，一定要注意内存泄漏问题。 可以使用智能指针等技术来简化内存管理。
• 异常处理： C++的异常不能直接抛给JavaScript，需要使用napi_throw_error等函数来抛出JavaScript异常。
• 线程安全： 如果C++代码使用了多线程，需要注意线程安全问题。 可以使用互斥锁等同步机制来保证线程安全。
• 调试： 调试N-API模块可能会比较困难，可以使用GDB等调试工具来调试C++代码。

总结：N-API，让你的Node.js应用更上一层楼！

N-API是Node.js中一个非常强大的工具，它可以让你用C++编写高性能的模块，然后用JavaScript调用它们。 有了N-API，你可以充分发挥C++的底层能力，让你的Node.js应用跑得飞快！ 但是呢，N-API的学习曲线也比较陡峭，需要掌握C++和Node.js的相关知识。 希望通过今天的讲解，能让你对N-API有个初步的了解，并能开始尝试使用它。

最后，送给大家一句话：

“代码虐我千百遍，我待代码如初恋！” 希望大家在编程的道路上越走越远，写出更多更牛逼的代码！ 今天的讲座就到这里，谢谢大家！