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@nozmiz

Node.js C++ アドオンの開発 (作業メモ)

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この記事について

サンプルレベルの Node.js アドオンを C++ で書いてみた際の作業メモです。

内容:

  • ソースは node-addon-examples をベースにしてます
  • 足し算をする add という関数を JavaScript 側に見せる 2_function_arguments にちょっと手を入れた程度です

Node.js アドオンとは

C++ addons の説明が分かりやすいので引用。

Addons are dynamically-linked shared objects written in C++. The require() function can load addons as ordinary Node.js modules. Addons provide an interface between JavaScript and C/C++ libraries.

Node.js アドオンを作る方法

Node.js のアドオンを作るには以下の方法がある。

  1. 内部の V8/libuv/Node.js ライブラリを直接使う
  2. nan(Native Abstractions for Node.js) を使う
  3. N-API を使う
  4. node-addon-api を使う

それぞれの特徴をざっくりまとめると以下の通り。

  • v8/libuv/Node.js ライブラリを直接使う
    • 複雑、かつ、各ライブラリのバージョンアップと変更の影響をモロに受けるので大変 (特に V8 はリリースごとに大きく変わるらしい1)
    • 各ライブラリを直接触りたい場合以外は使うべきではない
  • nan
    • 各ライブラリのバージョン間の差異を吸収するツール(主にマクロ)を提供
  • N-API
    • アドオン開発向けの C言語 API で、ABI(Application Binary Interface)を保証する
    • Node.js 本体と同じリポジトリでメンテされてる
  • node-addon-api
    • N-API を C++ でラップして使いやすくしたもの
    • Node.js プロジェクトでメンテされてる

Node.js のドキュメントでは N-API と node-addon-api を推奨してる。
今回は、「v8/libuv/Node.jsライブラリを直接使う」 と 「node-addon-api」 を使ってみる。

環境

今回試した環境は以下の通り。

  • Ubuntu 18.04
    • Node.js v12.18.3
    • npm 6.14.6
    • Python 3.6.9

v8/libuv/Node.js ライブラリを直接使う場合

開発環境の準備

ビルドに必要なツール類をインストールする。

sudo apt install build-essential
sudo npm install -g node-gyp

開発

以下、適当な作業用ディレクトリで開発を行う。

まず main.cc を記述。

main.cc
#include <node.h>
#include <cstring>

namespace demo {

void ThrowTypeError(v8::Isolate *isolate, const char* msg)
{
    size_t msgSize = std::strlen(msg);
    v8::Local<v8::String> v8Msg =
        v8::String::NewFromUtf8(isolate, msg, v8::NewStringType::kNormal, static_cast<int>(msgSize)).ToLocalChecked();

    // Throw an Error that is passed back to JavaScript
    isolate->ThrowException(v8::Exception::TypeError(v8Msg));
}

void AddMethod(const v8::FunctionCallbackInfo<v8::Value>& args)
{
    v8::Isolate* isolate = args.GetIsolate();

    // Check the number of arguments passed.
    if ( args.Length() < 2 ) {
        ThrowTypeError(isolate, "Wrong number of arguments");
        return;
    }

    // Check the argument types
    if ( ! args[0]->IsNumber() || ! args[1]->IsNumber() ) {
        ThrowTypeError(isolate, "Wrong arguments");
        return;
    }

    // Perform the operation
    double arg0 = args[0].As<v8::Number>()->Value();
    double arg1 = args[1].As<v8::Number>()->Value();
    v8::Local<v8::Number> answer = v8::Number::New(isolate, arg0 + arg1);
    
    // Set the return value (using the passed in FunctionCallbackInfo<Value>&)
    args.GetReturnValue().Set(answer);
}

void Initialize(v8::Local<v8::Object> exports)
{
    NODE_SET_METHOD(exports, "add", AddMethod);
}

NODE_MODULE(NODE_GYP_MODULE_NAME, Initialize)

} // namespace demo

ビルド

同じディレクトリにビルド用の binding.gyp を用意。

binding.gyp
{
  "targets": [
    {
      "target_name": "myaddon",
      "sources": [ "main.cc" ]
    }
  ]
}

上記ディレクトリからビルドを実行する。

# Makefile 等の作成。build ディレクトリ配下に出力される。
node-gyp configure

# ビルドの実行。build/Release/ に myaddon.node というファイルが作成される。
node-gyp build

実行

今回作ったアドオン myaddon を使う JavaScript を用意。成功する場合と失敗する場合の両方を試してる。

sample.js
const myaddon = require('./build/Release/myaddon')

// 成功する場合 → 8 が返る。
const ans1 = myaddon.add(5, 3)
console.log(ans1)

// 失敗する場合(引数に数値ではなく文字列を渡してる) → 例外が投げられる。
try {
    const ans2 = myaddon.add(5, "abc")
    console.log(ans2)
} catch (e) {
    console.log(e.message)
}

実行結果。意図した通りに動いてる。

$ node sample.js 
8
Wrong arguments

node-addon-api を使う場合

開発環境の準備

ビルドに必要なツール類をインストールする。node-gyp の代わりに CMake も使えるが2、今回はそのまま node-gyp を使った。

sudo apt install build-essential
sudo npm install -g node-gyp

開発

以下、適当な作業用ディレクトリで開発を行う。

package.json を用意。

npm init

# dependencies に node-addon-api を追加
npm install node-addon-api

# package.json に `"gypfile": true` を追加する
vi package.json

以下のようになる。

{
  "name": "myaddon",
  "version": "1.0.0",
  "description": "",
  "main": "sample.js",
  "scripts": {
    "test": "echo \"Error: no test specified\" && exit 1"
  },
  "author": "",
  "license": "ISC",
  "dependencies": {
    "node-addon-api": "^3.0.0"
  },
  "gypfile": true
}

次に main.cc を用意。内容は同じく足し算の関数 add のエクスポートだが、node-addon-api を使うと V8の複雑な型が消えてだいぶすっきりする。

なお、node-addon-api を使うには napi.h をインクルードする。v8.h, uv.h, node.h などのライブラリのヘッダーを直接インクルードしてはいけない。

#include <napi.h>

namespace demo {

Napi::Value AddMethod(const Napi::CallbackInfo& info)
{
    Napi::Env env = info.Env();

    // Check the number of arguments passed.
    if ( info.Length() < 2 ) {
        Napi::TypeError::New(env, "Wrong number of arguments").ThrowAsJavaScriptException();
        return env.Null();
    }

    // Check the argument type
    if ( ! info[0].IsNumber() || ! info[1].IsNumber() ) {
        Napi::TypeError::New(env, "Wrong arguments").ThrowAsJavaScriptException();
        return env.Null();
    }

    // Perform the operation
    double p1 = info[0].As<Napi::Number>().DoubleValue();
    double p2 = info[1].As<Napi::Number>().DoubleValue();
    Napi::Number answer = Napi::Number::New(env, p1 + p2);

    return answer;
}

Napi::Object Initialize(Napi::Env env, Napi::Object exports)
{
    exports.Set(Napi::String::New(env, "add"), 
                Napi::Function::New(env, AddMethod));
    return exports;
}

NODE_API_MODULE(NODE_GYP_MODULE_NAME, Initialize)

} // namespace demo

ビルド

ビルド用の binding.gyp を用意。少し複雑になるが、C++ から JavaScript への例外を無効にする設定等をしてる。詳細はここを参照。

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

ビルド手順は同じ。

node-gyp configure
node-gyp build

実行

実行手順と結果もまったく同じのため、簡易的に記載する。

# sample.js は同じものを用意しておく。
$ node sample.js 
8
Wrong arguments

参考サイト

以上

  1. Native abstractions for Node.js には次の記述がある: " The V8 API can, and has, changed dramatically from one V8 release to the next (and one major Node.js release to the next)." ↩

  2. CMake.js より引用 : "CMake.js is an alternative build system based on CMake. CMake.js is a good choice for projects that already use CMake or for developers affected by limitations in node-gyp." ↩

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