技术讲座：利用 Native Addons (N-API) 将 JS 的高性能计算转交给 C++/Rust

引言

随着前端技术的发展，JavaScript 在高性能计算方面的瓶颈逐渐显现。尽管 V8 引擎在性能上已经有了很大的提升，但面对某些复杂计算任务时，仍然显得力不从心。为了解决这个问题，我们可以利用 Native Addons (N-API) 将高性能计算任务转交给 C++ 或 Rust 等语言来实现。本文将围绕这个主题，从 N-API 的原理、实现方法到实际工程案例进行深入探讨。

N-API 简介

N-API 是一个规范，旨在为 Node.js 提供一个稳定、高效的 C++ 插件接口。它提供了跨版本的稳定接口，使得 C++ 插件能够在不同的 Node.js 版本之间无缝兼容。N-API 由 Node.js 官方推出，并在 Node.js 12 版本中成为默认的插件 API。

N-API 优势

1. 跨版本兼容：N-API 提供了稳定的接口，使得插件可以在不同版本的 Node.js 中使用，降低了维护成本。
2. 高性能：C++ 和 Rust 等语言具有高性能的特性，可以将计算任务转交给这些语言执行，提高整体性能。
3. 扩展性强：N-API 支持多种操作系统和架构，方便开发者在不同平台上扩展 Node.js。

C++ Native Addons 实现方法

环境准备

1. 安装 Node.js 开发环境：Node.js 官网
2. 安装 C++ 开发环境：Visual Studio 或 MinGW
3. 安装 N-API 开发工具：npm install --save @node-native-api/napi

代码示例

以下是一个简单的 C++ Native Addons 示例，实现了一个求和函数。

#include <napi.h>

NAPI_MODULE_INIT() {
  NAPI_CREATE_FUNCTION("sum", &Sum);
  return 0;
}

NAPI_FUNCTION(sum) {
  Napi::Env env = env_;
  Napi::Value sum_value = Napi::Number::New(env, 0);

  for (int i = 0; i < args.Length(); i++) {
    sum_value = Napi::Number::New(env, sum_value.Int32Value() + args[i].Int32Value());
  }

  return sum_value;
}

编译与运行

1. 将上述代码保存为 sum.cpp。
2. 创建一个 binding.gyp 文件，配置编译选项：

{
  "targets": [
    {
      "target_name": "sum",
      "sources": ["sum.cpp"],
      "include_dirs": [
        "<!(node -e "require('node-addon-api').include")"
      ],
      "defines": ["NAPI_DISABLE_CPP_EXCEPTIONS"],
      "dependencies": [
        "<!(node -e "require('node-addon-api').include")"
      ]
    }
  ]
}

3. 使用 npm install node-gyp 安装 node-gyp，然后运行以下命令进行编译：

node-gyp configure build

4. 最后，在 Node.js 代码中引入 Native Addons：

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

console.log(sum.sum(1, 2, 3)); // 输出：6

Rust Native Addons 实现方法

环境准备

1. 安装 Node.js 开发环境：Node.js 官网
2. 安装 Rust 开发环境：Rust 官网
3. 安装 N-API 开发工具：npm install --save @node-native-api/napi

代码示例

以下是一个简单的 Rust Native Addons 示例，实现了一个求和函数。

extern crate node_api;
use node_api::{napi_env, napi_value, napi_result, napi_function};

#[no_mangle]
pub extern "C" fn sum(env: napi_env, args: &[napi_value], length: usize) -> napi_result {
    let mut sum = 0;
    for i in 0..length {
        let val = args[i].to_u32(env)?.unwrap();
        sum += val;
    }
    Ok(sum.into())
}

#[no_mangle]
pub extern "C" fn init(env: napi_env, exports: &mut napi_value) -> napi_result {
    let sum = napi_function(env, sum, 1, Some("sum"))?;
    napi_set_property(env, exports, "sum", sum)?;
    Ok(())
}

#[no_mangle]
pub extern "C" fn init_all(env: napi_env, exports: &mut napi_value) -> napi_result {
    init(env, exports)
}

编译与运行

1. 将上述代码保存为 sum.rs。
2. 创建一个 Cargo.toml 文件，配置编译选项：

[package]
name = "sum"
version = "0.1.0"
edition = "2021"

[dependencies]
node-api = "0.12.1"

[build-dependencies]
node-gyp = "0.14.0"

3. 使用 cargo build --release 进行编译。
4. 最后，在 Node.js 代码中引入 Native Addons：

const sum = require('./target/release/sum');

console.log(sum.sum(1, 2, 3)); // 输出：6

总结

通过 N-API，我们可以将 JavaScript 中的高性能计算任务转交给 C++ 或 Rust 等语言来实现，从而提高整体性能。本文介绍了 N-API 的原理、实现方法以及实际工程案例，希望能对开发者有所帮助。

参考资料

1. Node.js 官方文档 – N-API
2. C++ 官方文档
3. Rust 官方文档