探讨 `Node.js` 中 `Native Addons` (`N-API`) 如何与 C/C++ 代码进行高性能交互，以及其优势和局限性。

大家好，欢迎来到今天的“Node.js 与 C/C++ 的激情碰撞：N-API 深度解析”讲座！我是你们的老朋友，今天就跟大家聊聊 Node.js 中的 Native Addons，以及如何利用 N-API 这个“桥梁”让 JavaScript 和 C/C++ 这两门看似水火不容的语言，实现手牵手、共创美好未来。

开场白：为什么我们需要 Native Addons？

想象一下，你用 Node.js 编写了一个超级厉害的应用程序，但是突然发现，某些计算密集型的任务，JavaScript 跑起来实在是慢得让人抓狂。比如，你要处理大量的图像数据，或者进行复杂的加密解密操作，或者需要直接访问一些硬件资源。这时候，你可能会开始怀念 C/C++ 那风驰电掣般的速度。

这时候，Native Addons 就派上用场了！它允许你使用 C/C++ 编写这些高性能模块，然后像使用普通的 JavaScript 模块一样，在 Node.js 中调用它们。这样，你既能享受 JavaScript 的开发效率，又能拥有 C/C++ 的运行速度，简直是鱼和熊掌兼得！

N-API：这座桥梁的诞生

早期的 Node.js Native Addons 使用的是 V8 API。问题是，V8 API 经常发生变化，这意味着每次 Node.js 升级，你的 Addons 都可能需要重新编译，甚至重写代码。这简直是一场噩梦！

为了解决这个问题，Node.js 团队推出了 N-API (Node.js API)。N-API 是一个稳定的 ABI (Application Binary Interface) 接口，它与底层的 JavaScript 引擎 (比如 V8) 解耦。这意味着，只要你的 Addons 使用 N-API 编写，无论 Node.js 如何升级，它们都能正常运行，无需重新编译。

可以把 N-API 想象成一座坚固的桥梁，连接着 JavaScript 和 C/C++ 两岸。无论桥下的河流（JavaScript 引擎）如何变化，桥面（N-API）始终保持稳定。

N-API 的优势：

优势	描述
ABI 稳定性	Addons 无需随着 Node.js 版本的升级而重新编译。
跨平台性	可以在不同的操作系统上编译和运行。
性能	C/C++ 代码的执行效率通常比 JavaScript 代码高。
访问底层资源	可以直接访问操作系统和硬件资源。
代码重用	可以重用现有的 C/C++ 代码库。

N-API 的局限性：

局限性	描述
学习曲线	需要掌握 C/C++ 编程，以及 N-API 的相关知识。
调试难度	C/C++ 代码的调试通常比 JavaScript 代码更复杂。
内存管理	需要手动管理 C/C++ 代码中的内存，容易出现内存泄漏等问题。
构建过程	需要使用特定的构建工具 (比如 node-gyp) 来编译 Addons。

手把手教你创建一个 N-API Addon

接下来，我们通过一个简单的例子，来演示如何创建一个 N-API Addon。这个 Addon 的功能很简单，就是把两个数字相加。

1. 初始化项目

首先，创建一个新的 Node.js 项目：

mkdir addon-example
cd addon-example
npm init -y

2. 创建 C/C++ 代码

创建一个名为 addon.cc 的文件，并添加以下代码：

#include <node_api.h>

napi_value Add(napi_env env, napi_callback_info info) {
  napi_status status;

  size_t argc = 2;
  napi_value args[2];
  status = napi_get_cb_info(env, info, &argc, args, NULL, NULL);
  if (status != napi_ok) {
    napi_throw_type_error(env, NULL, "Expected two arguments");
    return NULL;
  }

  if (argc < 2) {
    napi_throw_type_error(env, NULL, "Too few arguments");
    return NULL;
  }

  double num1, num2, result;
  status = napi_get_value_double(env, args[0], &num1);
  if (status != napi_ok) {
    napi_throw_type_error(env, NULL, "Argument 0 must be a number");
    return NULL;
  }

  status = napi_get_value_double(env, args[1], &num2);
  if (status != napi_ok) {
    napi_throw_type_error(env, NULL, "Argument 1 must be a number");
    return NULL;
  }

  result = num1 + num2;

  napi_value sum;
  status = napi_create_double(env, result, &sum);
  if (status != napi_ok) {
    napi_throw_error(env, NULL, "Failed to create return value");
    return NULL;
  }

  return sum;
}

napi_value Init(napi_env env, napi_value exports) {
  napi_status status;
  napi_value fn;

  status = napi_create_function(env, NULL, 0, Add, NULL, &fn);
  if (status != napi_ok) {
    napi_throw_error(env, NULL, "Unable to wrap native function");
    return NULL;
  }

  status = napi_set_named_property(env, exports, "add", 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)

这段代码做了以下几件事：

• 包含了 node_api.h 头文件，这是 N-API 的核心。
• 定义了一个 Add 函数，它接收两个数字作为参数，并返回它们的和。
• 使用 napi_get_cb_info 函数获取传递给 Add 函数的参数。
• 使用 napi_get_value_double 函数将参数转换为 double 类型。
• 使用 napi_create_double 函数创建一个 napi_value 对象，用于存储结果。
• 定义了一个 Init 函数，它用于初始化 Addon。
• 使用 napi_create_function 函数创建一个 JavaScript 函数，并将其指向 Add 函数。
• 使用 napi_set_named_property 函数将该函数添加到 exports 对象中，使其可以在 JavaScript 中访问。
• 使用 NAPI_MODULE 宏定义 Addon 的入口点。

3. 创建 binding.gyp 文件

创建一个名为 binding.gyp 的文件，并添加以下代码：

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

这个文件告诉 node-gyp 如何编译我们的 Addon。

• target_name 指定了 Addon 的名称。
• sources 指定了 Addon 的源文件。
• include_dirs 指定了 N-API 头文件的路径。 node-addon-api 简化了跨平台的编译。
• defines 定义了编译选项。 NAPI_DISABLE_CPP_EXCEPTIONS 禁用了 C++ 异常处理，可以提高性能。

4. 安装 node-gyp 和 node-addon-api

运行以下命令安装 node-gyp 和 node-addon-api：

npm install -g node-gyp
npm install node-addon-api --save

5. 编译 Addon

运行以下命令编译 Addon：

node-gyp configure
node-gyp build

如果一切顺利，你会在 build/Release 目录下看到一个名为 addon.node 的文件。这就是我们编译好的 Addon。

6. 创建 JavaScript 代码

创建一个名为 index.js 的文件，并添加以下代码：

const addon = require('./build/Release/addon');

console.log(addon.add(1, 2)); // 输出 3

这段代码做了以下几件事：

• 使用 require 函数加载 Addon。
• 调用 Addon 中的 add 函数，并将结果打印到控制台。

7. 运行 JavaScript 代码

运行以下命令运行 JavaScript 代码：

node index.js

你应该会在控制台上看到 3。

代码解释：N-API 的关键函数

现在，让我们来深入了解一下 N-API 中的一些关键函数：

• *`napi_get_cb_info(napi_env env, napi_callback_info info, size_t argc, napi_value argv, napi_value thisArg, void data)`: 这个函数用于获取传递给 JavaScript 函数的参数。

  • env: N-API 环境。
  • info: 回调信息。
  • argc: 指向参数个数的指针。
  • argv: 指向参数数组的指针。
  • thisArg: this 指针。
  • data: 传递给函数的自定义数据。

• *`napi_get_value_double(napi_env env, napi_value value, double result):** 这个函数用于将napi_value对象转换为double` 类型。

• *`napi_create_double(napi_env env, double value, napi_value result):** 这个函数用于创建一个napi_value对象，并将其设置为double` 类型。

• *`napi_create_function(napi_env env, const char utf8name, size_t length, napi_callback cb, void data, napi_value result)`:** 这个函数用于创建一个 JavaScript 函数。

  • utf8name: 函数名。
  • length: 函数名长度。
  • cb: 指向 C/C++ 函数的指针。
  • data: 传递给 C/C++ 函数的自定义数据。

• *`napi_set_named_property(napi_env env, napi_value object, const char utf8name, napi_value value):** 这个函数用于将一个napi_value对象添加到另一个napi_value` 对象中。

错误处理：让你的 Addon 更健壮

在编写 N-API Addons 时，错误处理非常重要。如果你的 C/C++ 代码出现错误，可能会导致 Node.js 进程崩溃。

N-API 提供了一些函数来处理错误：

• napi_throw_error(napi_env env, const char* code, const char* msg): 抛出一个 JavaScript 错误。
• napi_throw_type_error(napi_env env, const char* code, const char* msg): 抛出一个 JavaScript 类型错误。
• napi_throw_range_error(napi_env env, const char* code, const char* msg): 抛出一个 JavaScript 范围错误。
• *`napi_is_exception_pending(napi_env env, bool result)`:** 检查是否有未处理的异常。
• *`napi_get_and_clear_last_exception(napi_env env, napi_value result)`:** 获取并清除最后一个异常。

在 addon.cc 示例中，我们已经使用了 napi_throw_type_error 函数来处理参数类型错误。

内存管理：避免内存泄漏

在 C/C++ 代码中，你需要手动管理内存。如果你的 Addon 出现内存泄漏，可能会导致 Node.js 进程崩溃或运行缓慢。

N-API 提供了一些函数来帮助你管理内存：

• *`napi_create_external_buffer(napi_env env, size_t length, void data, napi_finalize finalize_cb, void finalize_hint, napi_value result):** 创建一个指向外部缓冲区的napi_value对象。 当这个对象被垃圾回收的时候，finalize_cb` 会被调用。

• `napi_create_arraybuffer(napi_env env, size_t byte_length, void data, napi_value* result)`:** 创建一个 ArrayBuffer。

• *`napi_wrap(napi_env env, napi_value js_object, void native_object, napi_finalize finalize_cb, void finalize_hint, napi_ref result):** 将一个 native 对象和一个 JavaScript 对象关联起来。当 JavaScript 对象被垃圾回收的时候，finalize_cb` 会被调用。

在使用这些函数时，请务必小心，确保你正确地释放了内存。

高级技巧：异步操作和多线程

如果你的 Addon 需要执行耗时的操作，你应该使用异步操作，以避免阻塞 Node.js 的事件循环。

N-API 提供了一些函数来支持异步操作：

• napi_create_async_work(napi_env env, napi_value async_resource, napi_value async_resource_name, napi_async_execute_callback execute, napi_async_complete_callback complete, void* data, napi_async_work* result): 创建一个异步工作。

  • execute: 在工作线程中执行的函数。
  • complete: 在主线程中执行的函数，用于处理工作线程的结果。

• napi_queue_async_work(napi_env env, napi_async_work work): 将异步工作添加到队列中。

• napi_delete_async_work(napi_env env, napi_async_work work): 删除异步工作。

如果你需要执行大量的并发操作，你可以使用多线程。但是，在使用多线程时，你需要注意线程安全问题，并使用适当的锁机制来保护共享资源。

实战案例：图像处理 Addon

现在，让我们来看一个更复杂的例子：一个图像处理 Addon。这个 Addon 可以读取图像文件，并将其转换为灰度图像。

由于代码量较大，这里只给出关键部分：

// addon.cc
#include <node_api.h>
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <vector>

// 一个简单的图像结构体
struct Image {
  int width;
  int height;
  std::vector<unsigned char> data;
};

// 读取图像文件的函数 (简化版)
Image readImage(const char* filename) {
  // 这里省略了实际的图像读取代码
  // 假设图像是 8 位灰度图像
  Image image;
  image.width = 256;
  image.height = 256;
  image.data.resize(image.width * image.height);
  for (size_t i = 0; i < image.data.size(); ++i) {
    image.data[i] = (unsigned char)(i % 256); // 模拟图像数据
  }
  return image;
}

// 将图像转换为灰度图像的函数
void convertToGrayscale(Image& image) {
  // 灰度转换算法 (简化版)
  for (size_t i = 0; i < image.data.size(); ++i) {
    // 这里直接使用原始像素值作为灰度值
    // 实际应用中需要使用更复杂的算法
    // 例如: gray = 0.299 * red + 0.587 * green + 0.114 * blue
  }
}

// 异步执行函数
struct AsyncContext {
  napi_async_work work;
  napi_deferred deferred;
  Image image;
  std::string filename;
  napi_env env;
};

void Execute(napi_env env, void* data) {
  AsyncContext* context = (AsyncContext*)data;
  context->image = readImage(context->filename.c_str());
  convertToGrayscale(context->image);
}

// 异步完成函数
void Complete(napi_env env, napi_status status, void* data) {
  AsyncContext* context = (AsyncContext*)data;
  napi_value result;
  napi_create_arraybuffer(env, context->image.data.size(), (void*)context->image.data.data(), &result); // 创建 ArrayBuffer

  napi_resolve_deferred(env, context->deferred, result);
  napi_delete_async_work(env, context->work);
  delete context;
}

// JavaScript 函数的入口点
napi_value ConvertImage(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_type_error(env, NULL, "Expected one argument");
    return NULL;
  }

  char filename[256];
  size_t filename_length;
  status = napi_get_value_string_utf8(env, args[0], filename, 256, &filename_length);
  if (status != napi_ok) {
    napi_throw_type_error(env, NULL, "Argument 0 must be a string");
    return NULL;
  }

  AsyncContext* context = new AsyncContext();
  context->filename = filename;
  context->env = env;

  napi_value promise;
  napi_create_promise(env, &context->deferred, &promise);

  napi_value async_resource_name;
  status = napi_create_string_utf8(env, "convertImage", NAPI_AUTO_LENGTH, &async_resource_name);

  status = napi_create_async_work(env, NULL, async_resource_name, Execute, Complete, context, &context->work);
  if (status != napi_ok) {
    napi_throw_error(env, NULL, "Failed to create async work");
    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");
    delete context;
    return NULL;
  }

  return promise;
}

napi_value Init(napi_env env, napi_value exports) {
  napi_status status;
  napi_value fn;

  status = napi_create_function(env, NULL, 0, ConvertImage, NULL, &fn);
  if (status != napi_ok) {
    napi_throw_error(env, NULL, "Unable to wrap native function");
    return NULL;
  }

  status = napi_set_named_property(env, exports, "convertImage", 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)

这个 Addon 的核心逻辑如下：

1. JavaScript 代码调用 convertImage 函数，并传递图像文件的路径。
2. convertImage 函数创建一个异步工作，并将其添加到队列中。
3. Execute 函数在工作线程中读取图像文件，并将其转换为灰度图像。
4. Complete 函数在主线程中创建一个 ArrayBuffer，并将灰度图像的数据复制到其中。
5. Complete 函数将 ArrayBuffer 返回给 JavaScript 代码。

总结：N-API，你的 Node.js 超能力

通过今天的讲座，我们了解了 N-API 的基本概念、优势、局限性，以及如何创建一个简单的 N-API Addon。我们还学习了如何处理错误、管理内存、以及使用异步操作。

N-API 赋予了 Node.js 开发者强大的超能力，让他们能够利用 C/C++ 的高性能来解决各种复杂的编程问题。只要你掌握了 N-API，你就可以让你的 Node.js 应用程序飞起来！

当然，N-API 只是一个工具，要真正用好它，还需要不断地学习和实践。希望今天的讲座能够帮助你入门 N-API，并在未来的开发中发挥它的威力！

感谢大家的参与！