Google V8 引擎使用 C++ 代码编写,实现了 ECMAScript 规范的第五版 ,可以运行在所有的主流操作系统中,甚至可以运行在移动终端 ( 基于 ARM 的处理器,如 HTC G7 等 )。V8 最早被开发用以嵌入到 Google 的开源浏览器 Chrome 中,但是 V8 是一个可以独立的模块,完全可以嵌入您自己的应用,著名的 Node.js( 一个异步的服务器框架,可以在服务端使用 JavaScript 写出高效的网络服务器 ) 就是基于 V8 引擎的。
和其他 JavaScript 引擎一样,V8 会编译 / 执行 JavaScript 代码,管理内存,负责垃圾回收,与宿主语言的交互等。V8 的垃圾回收器采用了众多技术,使得其运行效率大大提高。通过暴露宿主对象 ( 变量,函数等 ) 到 JavaScript,JavaScript 可以访问宿主环境中的对象,并在脚本中完成对宿主对象的操作。
Handle
handle 是指向对象的指针,在 V8 中,所有的对象都通过 handle 来引用,handle 主要用于 V8 的垃圾回收机制。
在 V8 中,handle 分为两种:持久化 (Persistent)handle 和本地 (Local)handle,持久化 handle 存放在堆上,而本地 handle 存放在栈上。这个与 C/C++ 中的堆和栈的意义相同 ( 简而言之,堆上的空间需要开发人员自己申请,使用完成之后显式的释放;而栈上的为自动变量,在退出函数 / 方法之后自动被释放 )。持久化 handle 与本地 handle 都是 Handle 的子类。在 V8 中,所有数据访问均需要通过 handle。需要注意的是,使用持久化 handle 之后,需要显式的调用 Dispose() 来通知垃圾回收机制。
作用域 (Scope)
scope 是 handle 的集合,可以包含若干个 handle,这样就无需将每个 handle 逐次释放,而是直接释放整个 scope。
在使用本地 handle 时,需要声明一个 HandleScope 的实例,scope 是 handle 的容器,使用 scope,则无需依次释放 handle。
HandleScope handle_scope; Local<ObjectTemplate> temp;
上下文 (Context)
context 是一个执行器环境,使用 context 可以将相互分离的 JavaScript 脚本在同一个 V8 实例中运行,而互不干涉。在运行 JavaScript 脚本是,需要显式的指定 context 对象。
数据(Data)及模板(Template)
由于 C++ 原生数据类型与 JavaScript 中数据类型有很大差异,因此 V8 提供了 Data 类,从 JavaScript 到 C++,从 C++ 到 JavaScrpt 都会用到这个类及其子类,比如:
Handle<Value> Add(const Arguments& args){ int a = args[0]->Uint32Value(); int b = args[1]->Uint32Value(); return Integer::New(a+b); }
Integer 即为 Data 的一个子类。
V8 中,有两个模板 (Template) 类 ( 并非 C++ 中的模板类 ):对象模板 (ObjectTempalte) 和函数模板 (FunctionTemplate),这两个模板类用以定义 JavaScript 对象和 JavaScript 函数。我们在后续的小节部分将会接触到模板类的实例。通过使用 ObjectTemplate,可以将 C++ 中的对象暴露给脚本环境,类似的,FunctionTemplate 用以将 C++ 函数暴露给脚本环境,以供脚本使用。
初始化 context 是使用 V8 引擎所必需的过程,代码非常简单:
Persistent<Context> context = Context::New();
有了上面所述的基本概念之后,我们来看一下一个使用 V8 引擎的应用程序的基本流程:
基本代码模板
#include <v8.h> using namespace v8; int main(int argc, char *argv[]) { // 创建一个句柄作用域 ( 在栈上 ) HandleScope handle_scope; // 创建一个新的上下文对象 Persistent<Context> context = Context::New(); // 进入上一步创建的上下文,用于编译执行 helloworld Context::Scope context_scope(context); // 创建一个字符串对象,值为'Hello, Wrold!', 字符串对象被 JS 引擎 // 求值后,结果为'Hello, World!' Handle<String> source = String::New("'Hello' + ', World!'"); // 编译字符串对象为脚本对象 Handle<Script> script = Script::Compile(source); // 执行脚本,获取结果 Handle <Value> result = script->Run(); // 释放上下文资源 context.Dispose(); // 转换结果为字符串 String::AsciiValue ascii(result); printf("%s\n", *ascii); return 0; }
以上代码为一个使用 V8 引擎来运行脚本的基本模板,可以看到,开发人员可以很容易的在自己的代码中嵌入 V8 来处理 JavaScript 脚本。我们在下面小节中详细讨论如何在脚本中访问 C++ 资源。
使用 C++ 变量
在 JavaScript 与 V8 间共享变量事实上是非常容易的,基本模板如下:
static type xxx; static Handle<Value> xxxGetter( Local<String> name, const AccessorInfo& info){ //code about get xxx } static void xxxSetter( Local<String> name, Local<Value> value, const AccessorInfo& info){ //code about set xxx }
首先在 C++ 中定义数据,并以约定的方式定义 getter/setter 函数,然后需要将 getter/setter 通过下列机制公开给脚本:
global->SetAccessor(String::New("xxx"), xxxGetter, xxxSetter);
其中,global 对象为一个全局对象的模板:
Handle<ObjectTemplate> global = ObjectTemplate::New();
下面我们来看一个实例:
static char sname[512] = {0}; static Handle<Value> NameGetter(Local<String> name, const AccessorInfo& info) { return String::New((char*)&sname,strlen((char*)&sname)); } static void NameSetter(Local<String> name, Local<Value> value, const AccessorInfo& info) { Local<String> str = value->ToString(); str->WriteAscii((char*)&sname); }
定义了 NameGetter, NameSetter 之后,在 main 函数中,将其注册在 global 上:
// Create a template for the global object. Handle<ObjectTemplate> global = ObjectTemplate::New(); //public the name variable to script global->SetAccessor(String::New("name"), NameGetter, NameSetter); 在 C++ 中,将 sname 的值设置为”cpp”: //set sname to "cpp" in cpp program strncpy(sname, "cpp", sizeof(sname)); 然后在 JavaScript 中访问该变量,并修改: print(name); //set the variable `name` to "js" name='js'; print(name);
运行结果如下:
cpp js
运行脚本,第一个 print 调用会打印在 C++ 代码中设置的 name 变量的值:cpp,然后我们在脚本中修改 name 值为:js,再次调用 print 函数则打印出设置后的值:js。
调用 C++ 函数
在 JavaScript 中调用 C++ 函数是脚本化最常见的方式,通过使用 C++ 函数,可以极大程度的增强 JavaScript 脚本的能力,如文件读写,网络 / 数据库访问,图形 / 图像处理等等,而在 V8 中,调用 C++ 函数也非常的方便。
在 C++ 代码中,定义以下原型的函数:
Handle<Value> function(constArguments& args){ //return something }
然后,再将其公开给脚本:
global->Set(String::New("function"),FunctionTemplate::New(function));
同样,我们来看两个示例:
Handle<Value> Add(const Arguments& args){ int a = args[0]->Uint32Value(); int b = args[1]->Uint32Value(); return Integer::New(a+b); } Handle<Value> Print(const Arguments& args) { bool first = true; for (int i = 0; i < args.Length(); i++) { HandleScope handle_scope; if (first) { first = false; } else { printf(" "); } String::Utf8Value str(args[i]); const char* cstr = ToCString(str); printf("%s", cstr); } printf("\n"); fflush(stdout); return Undefined(); }
函数 Add 将两个参数相加,并返回和。函数 Print 接受任意多个参数,然后将参数转换为字符串输出,最后输出换行。
global->Set(String::New("print"), FunctionTemplate::New(Print)); global->Set(String::New("add"), FunctionTemplate::New(Add));
我们定义以下脚本:
var x = (function(a, b){ return a + b; })(12, 7); print(x); //invoke function add defined in cpp var y = add(43, 9); print(y);
运行结果如下:
19 52
使用 C++ 类
如果从面向对象的视角来分析,最合理的方式是将 C++ 类公开给 JavaScript,这样可以将 JavaScript 内置的对象数量大大增加,从而尽可能少的使用宿主语言,而更大的利用动态语言的灵活性和扩展性。事实上,C++ 语言概念众多,内容繁复,学习曲线较 JavaScript 远为陡峭。最好的应用场景是:既有脚本语言的灵活性,又有 C/C++ 等系统语言的效率。使用 V8 引擎,可以很方便的将 C++ 类”包装”成可供 JavaScript 使用的资源。
我们这里举一个较为简单的例子,定义一个 Person 类,然后将这个类包装并暴露给 JavaScript 脚本,在脚本中新建 Person 类的对象,使用 Person 对象的方法。
首先,我们在 C++ 中定义好类 Person:
class Person { private: unsigned int age; char name[512]; public: Person(unsigned int age, char *name) { this->age = age; strncpy(this->name, name, sizeof(this->name)); } unsigned int getAge() { return this->age; } void setAge(unsigned int nage) { this->age = nage; } char *getName() { return this->name; } void setName(char *nname) { strncpy(this->name, nname, sizeof(this->name)); } };
Person 类的结构很简单,只包含两个字段 age 和 name,并定义了各自的 getter/setter. 然后我们来定义构造器的包装:
Handle<Value> PersonConstructor(const Arguments& args){ Handle<Object> object = args.This(); HandleScope handle_scope; int age = args[0]->Uint32Value(); String::Utf8Value str(args[1]); char* name = ToCString(str); Person *person = new Person(age, name); object->SetInternalField(0, External::New(person)); return object; }
从函数原型上可以看出,构造器的包装与上一小节中,函数的包装是一致的,因为构造函数在 V8 看来,也是一个函数。需要注意的是,从 args 中获取参数并转换为合适的类型之后,我们根据此参数来调用 Person 类实际的构造函数,并将其设置在 object 的内部字段中。紧接着,我们需要包装 Person 类的 getter/setter:
Handle<Value> PersonGetAge(const Arguments& args){ Local<Object> self = args.Holder(); Local<External> wrap = Local<External>::Cast(self->GetInternalField(0)); void *ptr = wrap->Value(); return Integer::New(static_cast<Person*>(ptr)->getAge()); } Handle<Value> PersonSetAge(const Arguments& args) { Local<Object> self = args.Holder(); Local<External> wrap = Local<External>::Cast(self->GetInternalField(0)); void* ptr = wrap->Value(); static_cast<Person*>(ptr)->setAge(args[0]->Uint32Value()); return Undefined(); }
而 getName 和 setName 的与上例类似。在对函数包装完成之后,需要将 Person 类暴露给脚本环境:
首先,创建一个新的函数模板,将其与字符串”Person”绑定,并放入 global:
Handle<FunctionTemplate> person_template = FunctionTemplate::New(PersonConstructor); person_template->SetClassName(String::New("Person")); global->Set(String::New("Person"), person_template);
然后定义原型模板:
Handle<ObjectTemplate> person_proto = person_template->PrototypeTemplate(); person_proto->Set("getAge", FunctionTemplate::New(PersonGetAge)); person_proto->Set("setAge", FunctionTemplate::New(PersonSetAge)); person_proto->Set("getName", FunctionTemplate::New(PersonGetName)); person_proto->Set("setName", FunctionTemplate::New(PersonSetName));
最后设置实例模板:
Handle<ObjectTemplate> person_inst = person_template->InstanceTemplate(); person_inst->SetInternalFieldCount(1);
随后,创建一个用以测试的脚本:
//global function to print out detail info of person function printPerson(person){ print(person.getAge()+":"+person.getName()); } //new a person object var person = new Person(26, "juntao"); //print it out printPerson(person); //set new value person.setAge(28); person.setName("juntao.qiu"); //print it out printPerson(person);
运行得到以下结果:
26:juntao 28:juntao.qiu
在这一小节中,我们将编写一个简单的桌面计算器:表达式求值部分通过 V8 引擎来进行,而流程控制部分则放在 C++ 代码中,这样可以将表达式解析等复杂细节绕开。同时,我们还得到了一个额外的好处,用户在脚本中可以自定义函数,从而可以在计算器中定义自己的运算规则。
桌上计算器
计算器程序首先进入一个 MainLoop,从标准输入读取一行命令,然后调用 V8 引擎去求值,然后将结果打印到控制台,然后再进入循环:
void MainLoop(Handle<Context> context) { while(true) { char buffer[1024] = {0}; printf("$ "); char *str = fgets(buffer, sizeof(buffer), stdin); if(str == NULL) { break; } HandleScope handle_scope; ExecuteString(String::New(str), String::New("calc"), true); } }
在 main 函数中设置全局对象,创建上下文对象,并进入 MainLoop:
int main(int argc, char *argv[]){ HandleScope handle_scope; // Create a template for the global object. Handle<ObjectTemplate> global = ObjectTemplate::New(); // Expose the local functions to script global->Set(String::New("load"), FunctionTemplate::New(Load)); global->Set(String::New("print"), FunctionTemplate::New(Print)); global->Set(String::New("quit"), FunctionTemplate::New(Quit)); // Create a new execution environment containing the built-in // functions Handle<Context> context = Context::New(NULL, global); // Enter the newly created execution environment. Context::Scope context_scope(context); // Enter main loop MainLoop(context); V8::Dispose(); return 0; }
在 main 函数中,为脚本提供了三个函数,load 函数用以将用户指定的脚本加载进来,并放入全局的上下文中一边引用,print 函数用以打印结果,而 quit 提供用户退出计算器的功能。
测试一下:
$ 1+2 3 $ (10+3)/(9.0-5) 3.25 $ typeof print function $ typeof non undefined // 自定义函数 $ function add(a, b){return a+b;} $ add(999, 2323) 3322 // 查看 print 标识符的内容 $ print function print() { [native code] }
load 函数提供了用户自定义函数的功能,将脚本文件作为一个字符串加载到内存,然后对该字符串编译,求值,并将处理过的脚本对象放入当前 context 中,以便用户使用。
Handle<Value> Load(const Arguments& args){ if(args.Length() != 1){ return Undefined(); } HandleScope handle_scope; String::Utf8Value file(args[0]); Handle<String> source = ReadFile(*file); ExecuteString(source, String::New(*file), false); return Undefined(); }
而 ExecuteString 函数,负责将字符串编译运行:
bool ExecuteString(Handle<String> source, Handle<Value> name, bool print_result) { HandleScope handle_scope; TryCatch try_catch; Handle<Script> script = Script::Compile(source, name); if (script.IsEmpty()) { return false; } else { Handle<Value> result = script->Run(); if (result.IsEmpty()) { return false; } else { if (print_result && !result->IsUndefined()) { String::Utf8Value str(result); const char* cstr = ToCString(str); printf("%s\n", cstr); } return true; } } }
将下列内容存入一个文本文件,并命令为 calc.js:
function sum(){ var s = 0; for(var i = 0; i < arguments.length; i++){ s += arguments[i]; } return s; } function avg(){ var args = arguments; var count = args.length; var sum = 0; for(var i = 0; i < count; i++){ sum += args[i]; } return sum/count; }
然后在计算器中测试:
// 此时 sum 符号位定义 $ typeof sum undefined // 加载文件,并求值 $ load("calc.js") // 可以看到,sum 的类型为函数 $ typeof sum function $ sum(1,2,3,4,5,6,7,8,9) 45
使用 V8 引擎,可以轻松的将脚本的好处带进 C++ 应用,使得 C++ 应用更具灵活性,扩展性。我们在文中讨论了基本的模板,如何使用 C++ 变量,函数,以及类。最后的实例中给出了一个计算器的原型。由于 V8 的设计原则,开发人员可以快速的将其嵌入到自己的应用中,并且无需太过担心脚本语言的执行效率。