NodeJS和C++之间的类型转换

我非常喜欢使用 Node.js，但是当涉及到计算密集型的场景时 Node.js 就不能够很好地胜任了。而在这样的情况下 C++ 是一个很好的选择，非常幸运 Node.js 官方提供了C/C++ Addons 的机制让我们能够使用 V8 API 把 Node.js 和 C++ 结合起来。

虽然在 Node.js 官方网站有很多的关于怎么使用这些 API 的文档，但是在 JavaScript 和 C++ 之间传递数据是一件非常麻烦的事情，C++ 是强类型语言（”1024” 是字符串类型而不是整数类型），而 JavaScript 却总是默认的帮我们做一些类型转换。

JavaScript 的基本类型包括 String，Number，Boolean，null，undefined，V8 使用类继承的方式来定义这类型，这些类型都继承了 Primitive 类，而 Primitive 继承了 Value，v8 也支持整型（包括 Int32 和 Uint32），而所有的类型定义都可以从 V8 类型文档中看到，除了基本的类型，还有 Object，Array，Map 等类型的定义。

基本类型的继承关系如下图：

在 V8 中所有 JavaScript 值都是被放在 Local 对象中，通过这个对象指定了 JavaScript 运行时的内存单元。

下面这段代定义了一个 Number 类型的值，其中 Test 函数中声明的 isolate 变量代表着 V8 虚拟机中的堆内存，当创建新变量的时候就需要用到它，接下来的一行代码就通过 isolate 声明了一个 Number 类型的变量。

#include <node.h> 
#include <v8.h> 
 
using namespace v8; 
 
void Test(const v8::FunctionCallbackInfo<v8::Value>& args) { 
    Isolate* isolate = args.GetIsolate(); 
    // 声明变量 
    Local<Number> retval = v8::Number::New(isolate, 1000); 
} 
 
void init(Local <Object> exports, Local<Object> module) { 
    NODE_SET_METHOD(exports, "getTestValue", Test); 
} 
 
NODE_MODULE(returnValue, init) 

看了 V8 类型 API 文档 你会发现对于基本的 JavaScript 类型，只有变量的声明而没有变量的赋值。最初想可能觉得这个非常的奇怪，可是仔细想一想后发现这个是合理的。主要由以下几点原因：

• JavaScript 的基本类型是不可变类型，变量都是指向一个不可变的内存单元，var a = 10，则 a 指向的内存单元中包含的值为 5，重新赋值 a = 100，没有改变这个内存单元的值，而是使得 a 指向了另外一个内存单元，其中的值为 100。如果声明两个变量 x，y 的值都为 10，则他们指向的是同一个内存单元。

• 函数的传参都是传值，而不是传引用，当在 JavaScript 中调用 C++ 的函数时，如果参数是基本类型则每次都是把这个值拷贝过去，改变参数的值不会影响原来的值。

• 使用 Local<Value> 声明基本类型的变量都是对内存单元的引用，因为***条原因不可能改变引用的值使其指向另外一个内存单元，因此不存在变量的重新赋值。

数据流向 C++ -> JavaScript

下面 demo 定义了一些常用的 JavaScript 类型，包括基本类型的以及 Object, Array, Fuction。

#include <node.h> 
#include <v8.h> 
 
using namespace v8; 
 
void MyFunction(const v8::FunctionCallbackInfo<Value>& args) { 
    Isolate* isolate = args.GetIsolate(); 
    args.GetReturnValue().Set(String::NewFromUtf8(isolate, "Hello World!")); 
} 
 
void Test(const v8::FunctionCallbackInfo<v8::Value>& args) { 
    Isolate* isolate = args.GetIsolate(); 
 
    // Number 类型的声明 
    Local<Number> retval = v8::Number::New(isolate, 1000); 
 
    // String 类型的声明 
    Local<String> str = v8::String::NewFromUtf8(isolate, "Hello World!"); 
 
    // Object 类型的声明 
    Local<Object> obj = v8::Object::New(isolate); 
    // 对象的赋值 
    obj->Set(v8::String::NewFromUtf8(isolate, "arg1"), str); 
    obj->Set(v8::String::NewFromUtf8(isolate, "arg2"), retval); 
 
    // Function 类型的声明并赋值 
    Local<FunctionTemplate> tpl = v8::FunctionTemplate::New(isolate, MyFunction); 
    Local<Function> fn = tpl->GetFunction(); 
    // 函数名字 
    fn->SetName(String::NewFromUtf8(isolate, "theFunction")); 
    obj->Set(v8::String::NewFromUtf8(isolate, "arg3"), fn); 
 
    // Boolean 类型的声明 
    Local<Boolean> flag = Boolean::New(isolate, true); 
    obj->Set(String::NewFromUtf8(isolate, "arg4"), flag); 
 
    // Array 类型的声明 
    Local<Array> arr = Array::New(isolate); 
    // Array 赋值 
    arr->Set(0, Number::New(isolate, 1)); 
    arr->Set(1, Number::New(isolate, 10)); 
    arr->Set(2, Number::New(isolate, 100)); 
    arr->Set(3, Number::New(isolate, 1000)); 
    obj->Set(String::NewFromUtf8(isolate, "arg5"), arr); 
 
    // Undefined 类型的声明 
    Local<Value> und = Undefined(isolate); 
    obj->Set(String::NewFromUtf8(isolate, "arg6"), und); 
 
    // null 类型的声明 
    Local<Value> null = Null(isolate); 
    obj->Set(String::NewFromUtf8(isolate, "arg7"), null); 
 
    // 返回给 JavaScript 调用时的返回值 
    args.GetReturnValue().Set(obj); 
} 
 
void init(Local <Object> exports, Local<Object> module) { 
    NODE_SET_METHOD(exports, "getTestValue", Test); 
} 
 
NODE_MODULE(returnValue, init) 

所有的 addon 都需要一个初始化的函数，如下面的代码：

void Initialize(Local<Object> exports);
NODE_MODULE(module_name, Initialize)

Initialize 是初始化的函数，module_name 是编译后产生的二进制文件名，上述代码的模块名为returnValue。

上述代码通过 node-gyp 编译后（编译过程官方文档 C/C++ Addons 有详细的介绍），可以通过如下的方式调用。

// returnValue.node 这个文件就是编译后产生的文件，通过 NODE_MODULE(returnValue, init) 决定的文件名
const returnValue = require('./build/Release/returnValue.node');
console.log(returnValue.getTestValue());

运行结果如下:

数据流向 javaScript -> C++

上面的 demo 展示了怎样在在 C++ 定义 JavaScript 类型，数据的是从 C++ 流向 JavaScript，反过来数据也需要从 javaScript 流向 C++，也就是调用 C++ 函数的时候需要传入一些参数。

下面的代码展示了参数个数判断，参数类型判断，以及参数类型装换成 V8 类型的过程，包括基本类型以及 Object, Array, Fuction。

#include <node.h> 
#include <v8.h> 
#include <iostream> 
 
using namespace v8; 
using namespace std; 
 
void GetArgument(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) { 
    Isolate* isolate = args.GetIsolate(); 
 
    // 参数长度判断 
    if (args.Length() < 2) { 
        isolate->ThrowException(Exception::TypeError( 
            String::NewFromUtf8(isolate, "Wrong number of arguments"))); 
        return; 
    } 
 
    // 参数类型判断 
    if (!args[0]->IsNumber() || !args[1]->IsNumber()) { 
        //抛出错误 
        isolate->ThrowException(Exception::TypeError( 
            String::NewFromUtf8(isolate, "argumnets must be number"))); 
    } 
 
    if (!args[0]->IsObject()) { 
        printf("I am not Object\n"); 
    } 
 
    if (!args[0]->IsBoolean()) { 
        printf("I am not Boolean\n"); 
    } 
 
    if (!args[0]->IsArray()) { 
        printf("I am not Array\n"); 
    } 
 
    if (!args[0]->IsString()) { 
        printf("I am not String\n"); 
    } 
 
    if (!args[0]->IsFunction()) { 
        printf("I am not Function\n"); 
    } 
 
    if (!args[0]->IsNull()) { 
        printf("I am not Null\n"); 
    } 
 
    if (!args[0]->IsUndefined()) { 
        printf("I am not Undefined\n"); 
    } 
 
    // js Number 类型转换成 v8 Number 类型 
    Local<Number> value1 = Local<Number>::Cast(args[0]); 
    Local<Number> value2 = Local<Number>::Cast(args[1]); 
    double value = value1->NumberValue() + value2->NumberValue(); 
 
    // js String 类型转换成 v8 String 类型 
    Local<String> str = Local<String>::Cast(args[2]); 
    String::Utf8Value utfValue(str); 
    cout<<string(*utfValue)<<endl; 
 
    // js Array 类型转换成 v8 Array 类型 
    Local<Array> input_array = Local<Array>::Cast(args[3]); 
    printf("%d, %f %f\n", input_array->Length(), input_array->Get(0)->NumberValue(), input_array->Get(1)->NumberValue()); 
 
    // js Object 类型转换成 v8 Object 类型 
    Local<Object> obj = Local<Object>::Cast(args[4]); 
 
    // 根据 key 获取对象中的值 
    Local<Value> a = obj->Get(String::NewFromUtf8(isolate, "a")); 
    Local<Value> b = obj->Get(String::NewFromUtf8(isolate, "b")); 
 
    // js Array 类型转换成 v8 Array 类型 
    Local<Array> c = Local<Array>::Cast(obj->Get(String::NewFromUtf8(isolate, "c"))); 
    cout<<a->NumberValue()<<"   "<<b->NumberValue()<<endl; 
    printf("%d, %f %f\n", c->Length(), c->Get(0)->NumberValue(), c->Get(1)->NumberValue()); 
 
    // js String 类型转换成 v8 String 类型 
    Local<String> cString = Local<String>::Cast(c->Get(2)); 
    String::Utf8Value utfValueD(cString); 
    cout<<string(*utfValueD)<<endl; 
 
    // 根据 key 获取对象中的值 
    Local<Object> d = Local<Object>::Cast(obj->Get(String::NewFromUtf8(isolate, "d"))); 
    Local<String> dString1 = Local<String>::Cast(d->Get(String::NewFromUtf8(isolate, "m"))); 
    String::Utf8Value utfValued1(dString1); 
    cout<<string(*utfValued1)<<endl; 
 
    // 根据 key 获取对象中的值 
    Local<String> dString2 = Local<String>::Cast(d->Get(String::NewFromUtf8(isolate, "n"))); 
    String::Utf8Value utfValued2(dString2); 
    cout<<string(*utfValued2)<<endl; 
 
    // js Booelan 类型转换成 v8 Boolean 类型 
    Local<Boolean> FlagTrue = Local<Boolean>::Cast(args[5]); 
    cout<<"Flag: "<<FlagTrue->BooleanValue()<<endl; 
 
    // js Function 类型转换成 v8 Function 类型 
    Local<Function> cb = Local<Function>::Cast(args[8]); 
    const unsigned argc = 2; 
    Local<Value> argv[2]; 
    argv[0] = a; 
    argv[1] = b; 
    cb->Call(Null(isolate), argc, argv); 
 
    args.GetReturnValue().Set(value); 
} 
 
void Init(Local <Object> exports, Local <Object> module) { 
    NODE_SET_METHOD(module, "exports", GetArgument); 
} 
 
NODE_MODULE(argumentss, Init) 

通过 node-gyp 编译后，可以通过如下的方式调用。

const getArguments = require('./build/Release/arguments'); 
 
console.log(getArguments(2, 3, 'Hello Arguments', [1, 2, 3], { 
        a: 10, 
        b: 100, 
        c: [23, 22, "我是33"], 
        d: { m: '我是22', n: '我是23' } 
    }, true, null, undefined, 
    function myFunction(...args) { 
        console.log('I am Function!'); 
        console.log(...args); 
        console.log('I am Function!'); 
    })); 

运行结果如下:

关于其他的类型，我这里就就不一一介绍，V8 文档里面都有对应的 API。

NAN

由于 V8 的 API 还没有彻底稳定下来，所以对于不同版本的 Node.js 类型相关的 API 会发生变化，而 NAN 帮我们做了封装，在编码的时候不需要关心版本问题，只需要引入相应的头文件即可。

引入头文件后，可以如下使用方式：

v8::Local<v8::Primitive> Nan::Undefined()
v8::Local<v8::Primitive> Nan::Null()

参考资料

• Type conversions from JavaScript to C++ in V8

• node addon

• v8 types documentation

• node-gyp

• gyp user documentation

• nan