前言： trace 系统用于收集内核的数据，本文介绍在 Node.js 中 trace 的架构和实现，因为 Node.js 的 trace 系统是基于 V8 的，所以也会介绍 V8 部分。因为实现细节比较多，逻辑也比较复杂，有兴趣的同学可以配合源码一起阅读或者看一下前面的相关文章。

因为 Node.js 的 trace 体系是基于 V8 的，所以先来看 V8 的实现。

1 V8 的实现¶

1.1. TraceObject¶

TraceObject 对应用于表示一个 trace 事件的信息。下面是一次 trace 事件需要保存的核心字段。

class V8_PLATFORM_EXPORT TraceObject {
 private:
  int pid_;
  int tid_;
  char phase_;
  const char* name_;
  const char* scope_;
  int64_t ts_;
  int64_t tts_;
  uint64_t duration_;
  uint64_t cpu_duration_;
  // 忽略其他字段
};

1.2 TraceWriter¶

TraceWriter 用于表示消费者，整个 trace 系统中可以有多个消费者。

class V8_PLATFORM_EXPORT TraceWriter {
 public:
  // 消费数据，只会保存在内存里，必要的时候再进行真正的处理
  virtual void AppendTraceEvent(TraceObject* trace_event) = 0;
  // 真正处理数据的函数
  virtual void Flush() = 0;
  // 获取一个 json writer，即把 trace 数据进行 json 格式化
  static TraceWriter* CreateJSONTraceWriter(std::ostream& stream)
};

1.3 TraceBufferChunk¶

TraceBufferChunk 用于临时保存 trace 数据，因为数据会现在内存中缓存，具体由 TraceBufferChunk 进行组织和保存。

class V8_PLATFORM_EXPORT TraceBufferChunk {
 public:
  explicit TraceBufferChunk(uint32_t seq);

  void Reset(uint32_t new_seq);
  // 数组是否满了
  bool IsFull() const { return next_free_ == kChunkSize; }
  // 获取一个空闲的元素地址
  TraceObject* AddTraceEvent(size_t* event_index);
  TraceObject* GetEventAt(size_t index) { return &chunk_[index]; }

  uint32_t seq() const { return seq_; }
  size_t size() const { return next_free_; }

  static const size_t kChunkSize = 64;

 private:
  size_t next_free_ = 0;
  TraceObject chunk_[kChunkSize];
  uint32_t seq_;
};

可以看到 TraceBufferChunk 内部持有一个 TraceObject 对象数组。

1.4 TraceBuffer¶

TraceBuffer 是对 TraceBufferChunk 的封装，本身不存储数据。

class V8_PLATFORM_EXPORT TraceBuffer {
 public:
  virtual TraceObject* AddTraceEvent(uint64_t* handle) = 0;
  virtual TraceObject* GetEventByHandle(uint64_t handle) = 0;
  virtual bool Flush() = 0;

  static const size_t kRingBufferChunks = 1024;

  static TraceBuffer* CreateTraceBufferRingBuffer(size_t max_chunks, TraceWriter* trace_writer);
};

TraceBuffer 具体的逻辑由子类实现，比如 Node.js 里实现了 NodeTraceBuffer。

1.5 TraceConfig¶

TraceConfig 是用于管理 category，记录需要收集哪类 category 数据。

class V8_PLATFORM_EXPORT TraceConfig {
 public:
  // 获取默认 category => v8
  static TraceConfig* CreateDefaultTraceConfig();
  // 获取订阅的 category
  const StringList& GetEnabledCategories() const {
    return included_categories_;
  }
  // 新增 category
  void AddIncludedCategory(const char* included_category);
  // 是否开启了收集该 cateogry 数据
  bool IsCategoryGroupEnabled(const char* category_group) const;

 private:
  StringList included_categories_;
};

1.6 TracingController¶

TracingController 是非常核心的类，用于管理整个 trace 系统。

class TracingController {
 public:
  // 需要收集哪类 cateogry 的 trace 数据，子类实现
  virtual const uint8_t* GetCategoryGroupEnabled(const char* name) {
    static uint8_t no = 0;
    return &no;
  }
  // 产生 trace 数据
  virtual uint64_t AddTraceEvent(...) {
    return 0;
  }
  virtual uint64_t AddTraceEventWithTimestamp(...) {
    return 0;
  }
  virtual void UpdateTraceEventDuration(...) {}

  class TraceStateObserver {
   public:
    virtual ~TraceStateObserver() = default;
    virtual void OnTraceEnabled() = 0;
    virtual void OnTraceDisabled() = 0;
  };

  // 管理 trace 系统的观察者
  virtual void AddTraceStateObserver(TraceStateObserver*) {}
  virtual void RemoveTraceStateObserver(TraceStateObserver*) {}
};

TracingController 是一个基类，被下面一个 TracingController 继承，trace 使用方继承下面的 TracingController 类。

class V8_PLATFORM_EXPORT TracingController : public V8_PLATFORM_NON_EXPORTED_BASE(v8::TracingController) {
 public:
  // 设置保存数据的 buffer
  void Initialize(TraceBuffer* trace_buffer);
  // 判断是否需要收集 category 为 category_group 的数据
  const uint8_t* GetCategoryGroupEnabled(const char* category_group) override;
  // 把数据保存到 buffer 中
  uint64_t AddTraceEvent(...) override;
  uint64_t AddTraceEventWithTimestamp(...) override;
  void UpdateTraceEventDuration(...) override;
  // 根据订阅的 category 设置开启标记，这时候才会收集 trace 数据
  void StartTracing(TraceConfig* trace_config);
  void StopTracing();

 private:
  // 根据订阅的 category 设置开启标记， StartTracing 中使用
  void UpdateCategoryGroupEnabledFlag(size_t category_index);
  void UpdateCategoryGroupEnabledFlags();

  std::unique_ptr<base::Mutex> mutex_;
  // 订阅的 category
  std::unique_ptr<TraceConfig> trace_config_;
  // 订阅者，StartTracing 时通知它们
  std::unordered_set<v8::TracingController::TraceStateObserver*> observers_;
  // 保存数据的 buffer
  std::unique_ptr<TraceBuffer> trace_buffer_;
};

以上的类关系如下。

了解了 V8 的 trace 架构后，我们接下来看 Node.js 基于这个架构做了哪些实现。

2 Node.js 的实现¶

2.1 InternalTraceBuffer¶

InternalTraceBuffer 是 Node.js 实现用于封装 TraceBufferChunk 的。

class InternalTraceBuffer {
 public:
  InternalTraceBuffer(size_t max_chunks, uint32_t id, Agent* agent);
  TraceObject* AddTraceEvent(uint64_t* handle);
  TraceObject* GetEventByHandle(uint64_t handle);
  void Flush(bool blocking);
  bool IsFull() const {
    return total_chunks_ == max_chunks_ && chunks_[total_chunks_ - 1]->IsFull();
  }

 private:
  size_t max_chunks_;
  Agent* agent_;
  std::vector<std::unique_ptr<TraceBufferChunk>> chunks_;
  size_t total_chunks_ = 0;
};

InternalTraceBuffer 内部持有 TraceBufferChunk，用于保存数据。

2.2 NodeTraceBuffer¶

NodeTraceBuffer 是基础 V8 的 TraceBuffer。用于管理数据的存储和消费。内部持有 InternalTraceBuffer，InternalTraceBuffer 内部的 TraceBufferChunk 用于真正的数据存储。

class NodeTraceBuffer : public TraceBuffer {
 public:
  NodeTraceBuffer(size_t max_chunks, Agent* agent, uv_loop_t* tracing_loop);
  TraceObject* AddTraceEvent(uint64_t* handle) override;
  TraceObject* GetEventByHandle(uint64_t handle) override;
  bool Flush() override;

  static const size_t kBufferChunks = 1024;

 private:
  uv_loop_t* tracing_loop_;
  uv_async_t flush_signal_;
  std::atomic<InternalTraceBuffer*> current_buf_;
  InternalTraceBuffer buffer1_;
  InternalTraceBuffer buffer2_;
};

2.3 NodeTraceWriter¶

NodeTraceWriter 用于处理数据的消费，比如写入文件。NodeTraceWriter 没有继承 V8 的 TraceWriter，而是持有一个 TraceWriter 对象。

// AsyncTraceWriter 没有逻辑，可以忽略
class NodeTraceWriter : public AsyncTraceWriter {
 public:
  explicit NodeTraceWriter(const std::string& log_file_pattern);
  // 写入 trace 数据，保存在内存
  void AppendTraceEvent(TraceObject* trace_event) override;
  // 刷数据到目的地，比如文件
  void Flush(bool blocking) override;
 private:
  // 数据写入该文件
  std::string log_file_pattern_;
  std::ostringstream stream_;
  // 持有一个 TraceWriter 对象，具体是一个 json writer，即按 json 格式写入数据
  std::unique_ptr<TraceWriter> json_trace_writer_;
};

2.4 TracingController¶

TracingController 继承 v8 的 TracingController，实现的逻辑不多。

class TracingController : public v8::platform::tracing::TracingController {
 public:
  TracingController() : v8::platform::tracing::TracingController() {}

  int64_t CurrentTimestampMicroseconds() override {
    return uv_hrtime() / 1000;
  }
  void AddMetadataEvent(...) {
    std::unique_ptr<TraceObject> trace_event(new TraceObject);
    trace_event->Initialize(...);
    Agent* node_agent = node::tracing::TraceEventHelper::GetAgent();
    if (node_agent != nullptr)
      node_agent->AddMetadataEvent(std::move(trace_event));
  };
};

TracingController 主要实现了产生 trace 数据的逻辑，每次产生一次 trace 事件时，就新建一个 TraceObject 对象表示，然后交给 agent 处理。

2.5 Agent¶

Agent 是 Node.js 中 trace 系统的核心对象，用于管理整个 trace 系统。

class Agent {
 public:
  TracingController* GetTracingController() {
    TracingController* controller = tracing_controller_.get();
    return controller;
  }

  // 增加一个 writer
  AgentWriterHandle AddClient(const std::set<std::string>& categories,
                              std::unique_ptr<AsyncTraceWriter> writer,
                              enum UseDefaultCategoryMode mode);
  // 获取订阅的 category，Node.js 本身缓存了这个数据，不需要到 V8 获取
  std::string GetEnabledCategories() const;

  // 产生 trace 数据，通知所有 writer
  void AppendTraceEvent(TraceObject* trace_event);
  void AddMetadataEvent(std::unique_ptr<TraceObject> event);
  // 刷数据到目的地，比如文件
  void Flush(bool blocking);
  // 创建一个管理 category 的 TraceConfig 对象，并把缓存的 category 写到 v8
  TraceConfig* CreateTraceConfig() const;

 private:
  // 启动 agent，不是启动收集 trace 数据
  void Start();
  void StopTracing();
  // 订阅/取消订阅 category
  void Enable(int id, const std::set<std::string>& categories);
  void Disable(int id, const std::set<std::string>& categories);

  // 保存 category、writer 和 controller
  std::unordered_map<int, std::multiset<std::string>> categories_;
  std::unordered_map<int, std::unique_ptr<AsyncTraceWriter>> writers_;
  std::unique_ptr<TracingController> tracing_controller_;
};

2.6 ScopedSuspendTracing¶

ScopedSuspendTracing 利用 RAII 机制实现 category 的刷新，控制 category 的开启和关闭。

class Agent::ScopedSuspendTracing {
 public:
  ScopedSuspendTracing(TracingController* controller, Agent* agent,
                       bool do_suspend = true)
    : controller_(controller), agent_(do_suspend ? agent : nullptr) {
    if (do_suspend) {
      controller->StopTracing();
    }
  }

  ~ScopedSuspendTracing() {
    if (agent_ == nullptr) return;
    TraceConfig* config = agent_->CreateTraceConfig();
    if (config != nullptr) {
      controller_->StartTracing(config);
    }
  }

 private:
  TracingController* controller_;
  Agent* agent_;
};

v8 中会记录当前开启了哪些 category，通过 StopTracing 可以清除所有的开启标记，然后再通过 StartTracing 和传入当前开启的 category 更新 v8 的数据。

2.7 NodeTraceStateObserver¶

NodeTraceStateObserver 是 trace 的观察者，是 v8 提供的机制，在开启 trace 的时候会被执行。比如 Node.js 实现的观察者。

class NodeTraceStateObserver: public v8::TracingController::TraceStateObserver {
 public:
  //。trace 启动时被回调
  inline void OnTraceEnabled() override {
    // 省略部分代码
    trace_process->SetString("arch", per_process::metadata.arch.c_str());
    trace_process->SetString("platform", per_process::metadata.platform.c_str());
    trace_process->BeginDictionary("release");
    trace_process->SetString("name", per_process::metadata.release.name.c_str());
    // 产生 trace 数据
    TRACE_EVENT_METADATA1("__metadata", "node", "process", std::move(trace_process));
  }
 private:
  v8::TracingController* controller_;
};

NodeTraceStateObserver 的逻辑很简单，就是在 trace 系统启动时执行 OnTraceEnabled，在 OnTraceEnabled 中会产生一个 trace 的 meta 数据。下面是架构图。

2.8 初始化 trace agent¶

再看一下 Node.js 初始化的过程中关于 trace agent 的逻辑。

struct V8Platform {
    bool initialized_ = false;
    inline void Initialize(int thread_pool_size) {
        // 创建一个 trace agent 对象
        tracing_agent_ = std::make_unique<tracing::Agent>();
        // 保存到某个地方，生产 trace 数据时使用
        node::tracing::TraceEventHelper::SetAgent(tracing_agent_.get());
        // 获取 agent 中的 controller，controller 负责管理 trace 数据的生产
        node::tracing::TracingController* controller = tracing_agent_->GetTracingController();
        // 创建一个 trace 观察者，在启动 trace 的时候被 V8 执行
        trace_state_observer_ = std::make_unique<NodeTraceStateObserver>(controller);
        // 保持到 controller 中
        controller->AddTraceStateObserver(trace_state_observer_.get());
        // tracing_file_writer_ 设置为默认值
        tracing_file_writer_ = tracing_agent_->DefaultHandle();
        // 通过命令行启动
        if (!per_process::cli_options->trace_event_categories.empty()) {
          StartTracingAgent();
        }
    }

    inline tracing::AgentWriterHandle* GetTracingAgentWriter() {
      return &tracing_file_writer_;
    }
    std::unique_ptr<NodeTraceStateObserver> trace_state_observer_;
    std::unique_ptr<tracing::Agent> tracing_agent_;
    tracing::AgentWriterHandle tracing_file_writer_;
};

Initialize 主要是初始化了一些核心对象。继续看 StartTracingAgent。

inline void StartTracingAgent() {
    if (tracing_file_writer_.IsDefaultHandle()) {
      // 解析出命令后设置的需要 trace 的模块，如果设置了 --trace-events-enabled，则默认开启 v8,node,node.async_hooks
      std::vector<std::string> categories = SplitString(per_process::cli_options->trace_event_categories, ',');
      // 注册消费者 writer
      tracing_file_writer_ = tracing_agent_->AddClient(
          std::set<std::string>(std::make_move_iterator(categories.begin()),
                                std::make_move_iterator(categories.end())),
          std::unique_ptr<tracing::AsyncTraceWriter>(
              new tracing::NodeTraceWriter(
                  per_process::cli_options->trace_event_file_pattern)),
          tracing::Agent::kUseDefaultCategories);
    }
}

在 Node.js 初始化时，tracing_file_writer_ 为初始的默认值，所以如果还没有调用过 StartTracingAgent，则 IsDefaultHandle 为 true，反之 tracing_file_writer_ 会被 AddClient 重新赋值，第二次调用 StartTracingAgent 就直接返回了。当第一次执行 StartTracingAgent。IsDefaultHandle 为 true，接着解析出需要 trace 的模块，然后调用 agent 的 AddClient 函数注册消费者。看一下 AddClient。

AgentWriterHandle Agent::AddClient(
    const std::set<std::string>& categories,
    std::unique_ptr<AsyncTraceWriter> writer,
    enum UseDefaultCategoryMode mode) {
  // 启动 trace 子线程，如果还没有启动的话
  Start();
  const std::set<std::string>* use_categories = &categories;
  int id = next_writer_id_++;
  AsyncTraceWriter* raw = writer.get();
  // 记录 writer 和 trace 的模块
  writers_[id] = std::move(writer);
  categories_[id] = { use_categories->begin(), use_categories->end() };
  {
    Mutex::ScopedLock lock(initialize_writer_mutex_);
    // 记录待初始化的 writer
    to_be_initialized_.insert(raw);
    // 通知 trace 子线程
    uv_async_send(&initialize_writer_async_);
    while (to_be_initialized_.count(raw) > 0)
      initialize_writer_condvar_.Wait(lock);
  }

  return AgentWriterHandle(this, id);
}

AddClient 保存了订阅关系，另外 trace 系统部分逻辑是跑在子线程的。注册 writer 时如果还没有启动 trace 子线程则启动它。

Agent::Agent() : tracing_controller_(new TracingController()) {
  tracing_controller_->Initialize(nullptr);
  uv_loop_init(&tracing_loop_), 0;
  // 注册 writer 时执行的回调
  uv_async_init(&tracing_loop_, &initialize_writer_async_, [](uv_async_t* async) {
    Agent* agent = ContainerOf(&Agent::initialize_writer_async_, async);
    agent->InitializeWritersOnThread();
  }), 0);
  uv_unref(reinterpret_cast<uv_handle_t*>(&initialize_writer_async_));
}

void Agent::Start() {
  if (started_)
    return;

  NodeTraceBuffer* trace_buffer_ = new NodeTraceBuffer(NodeTraceBuffer::kBufferChunks, this, &tracing_loop_);
  tracing_controller_->Initialize(trace_buffer_);
  uv_thread_create(&thread_, [](void* arg) {
    Agent* agent = static_cast<Agent*>(arg);
    uv_run(&agent->tracing_loop_, UV_RUN_DEFAULT);
  }, this);
  started_ = true;
}

Agent::Start 首先初始化了和生产者相关的逻辑，否则注册消费者 writer 就毫无意义，也就是设置保存数据的 NodeTraceBuffer 到 controller，因为 NodeTraceBuffer 是消费数据的第一个点，数据存到一定程度后再通知真正的 writer 消费。接着创建了一个线程，trace 子线程中单独跑了一个事件循环，并且通过异步方式和主线程通信，所以每次注册 writer 的时候，主线程都通过 uv_async_send(&initialize_writer_async_) 通知子线程。从而子线程执行回调 agent->InitializeWritersOnThread()。

void Agent::InitializeWritersOnThread() {
  Mutex::ScopedLock lock(initialize_writer_mutex_);
  while (!to_be_initialized_.empty()) {
    AsyncTraceWriter* head = *to_be_initialized_.begin();
    head->InitializeOnThread(&tracing_loop_);
    to_be_initialized_.erase(head);
  }
  initialize_writer_condvar_.Broadcast(lock);
}

InitializeWritersOnThread 遍历待注册的 writer 并执行它的 InitializeWritersOnThread 函数。这里以 Node.js 的 writer NodeTraceWriter 为例。

void NodeTraceWriter::InitializeOnThread(uv_loop_t* loop) {
  tracing_loop_ = loop;
  flush_signal_.data = this;
  int err = uv_async_init(tracing_loop_, &flush_signal_, [](uv_async_t* signal) {
    NodeTraceWriter* trace_writer = ContainerOf(&NodeTraceWriter::flush_signal_, signal);
    trace_writer->FlushPrivate();
  });
}

writer 往子线程事件循环中注册了一个异步回调，这个回调会在需要写入数据到文件里被执行。

3 产生数据¶

Node.js 中 trace 数据通过两种方式产生，第一种方式是通过 Node.js C++ 层，第二种方式是在 JS 层通过 V8 提供的 trace C++ API。下面首先看一下第一种。

3.1 C++ 方式¶

接下来分析生产者。以同步打开文件 API 为例。下面是 open 函数的 trace 埋点。

FS_SYNC_TRACE_BEGIN(open);
int result = SyncCall(env, args[4], &req_wrap_sync, "open",
                      uv_fs_open, *path, flags, mode);
FS_SYNC_TRACE_END(open);

宏展开后

#define FS_SYNC_TRACE_BEGIN(syscall, ...)                                  \
  if (GET_TRACE_ENABLED)                                                   \
  TRACE_EVENT_BEGIN(TRACING_CATEGORY_NODE2(fs, sync), TRACE_NAME(syscall), \
  ##__VA_ARGS__);

继续

// 判断是否订阅了当前模块的 trace
if (*node::tracing::TraceEventHelper::GetCategoryGroupEnabled("node,node.fs,node.fs.sync") != 0) {
    // 通过 agent 的 controller 写入 trace 数据
    controller->AddTraceEvent(...);
}

在处理 trace 数据之前首先判断是否开启了处理该类 trace 数据，看一下 GetCategoryGroupEnabled。

const uint8_t* TracingController::GetCategoryGroupEnabled(
    const char* category_group) {
  // category 个数  
  size_t category_index = base::Acquire_Load(&g_category_index);
  // 遍历判断是否开启了当前的 category
  for (size_t i = 0; i < category_index; ++i) {
    if (strcmp(g_category_groups[i], category_group) == 0) {
      return &g_category_group_enabled[i];
    }
  }
  // 如果没有看开启则追加到 category 列表
  if (category_index < kMaxCategoryGroups) {
    const char* new_group = base::Strdup(category_group);
    g_category_groups[category_index] = new_group;
    // 根据 traceConfig 更新开关
    UpdateCategoryGroupEnabledFlag(category_index);
    // 再次判断
    category_group_enabled = &g_category_group_enabled[category_index];
    // 更新 category 数量
    base::Release_Store(&g_category_index, category_index + 1);
  } else {
    category_group_enabled =
        &g_category_group_enabled[g_category_categories_exhausted];
  }
  return category_group_enabled;
}

如果开启了收集该 category 则通过 AddTraceEvent 进行处理。AddTraceEvent 由 V8 实现。

uint64_t TracingController::AddTraceEvent(...) {
  int64_t now_us = CurrentTimestampMicroseconds();
  return AddTraceEventWithTimestamp(...);
}

uint64_t TracingController::AddTraceEventWithTimestamp(...) {
 TraceObject* trace_object = trace_buffer_->AddTraceEvent(&handle);
}

通过层层调用，最终调用 TraceBuffer 的 AddTraceEvent，对应 Node.js 的 NodeTraceBuffer。

TraceObject* NodeTraceBuffer::AddTraceEvent(uint64_t* handle) {
  // buffer 是否已经满了，是则 flush
  if (!TryLoadAvailableBuffer()) {
    *handle = 0;
    return nullptr;
  }
  // 否则缓存
  return current_buf_.load()->AddTraceEvent(handle);
}

我们只需要看 TryLoadAvailableBuffer。

bool NodeTraceBuffer::TryLoadAvailableBuffer() {
  InternalTraceBuffer* prev_buf = current_buf_.load();
  if (prev_buf->IsFull()) {
    uv_async_send(&flush_signal_);
  }
  return true;
}

如果 buffer 满了，则通知 flush_signal_，那么 flush_signal_ 是什么呢？这是在 NodeTraceBuffer 初始化时设置的。

NodeTraceBuffer::NodeTraceBuffer(size_t max_chunks,
    Agent* agent, uv_loop_t* tracing_loop)
    : tracing_loop_(tracing_loop),
      buffer1_(max_chunks, 0, agent),
      buffer2_(max_chunks, 1, agent) {
  flush_signal_.data = this;
  // 回调 NonBlockingFlushSignalCb
  int err = uv_async_init(tracing_loop_, &flush_signal_,NonBlockingFlushSignalCb);
}

可以看到 NodeTraceBuffer 在 trace 子线程中设置了一个回调，当主线程写入的 trace 数据满了则通知子线程处理。具体逻辑在 NonBlockingFlushSignalCb。

void NodeTraceBuffer::NonBlockingFlushSignalCb(uv_async_t* signal) {
  NodeTraceBuffer* buffer = static_cast<NodeTraceBuffer*>(signal->data);
  if (buffer->buffer1_.IsFull() && !buffer->buffer1_.IsFlushing()) {
    buffer->buffer1_.Flush(false);
  }
  if (buffer->buffer2_.IsFull() && !buffer->buffer2_.IsFlushing()) {
    buffer->buffer2_.Flush(false);
  }
}

NodeTraceBuffer 内部维护了几个内部 buffer 用于存储数据（InternalTraceBuffer 对象）。当内部 buffer 满了则调用 Flush。

void InternalTraceBuffer::Flush(bool blocking) {
  {
    Mutex::ScopedLock scoped_lock(mutex_);
    if (total_chunks_ > 0) {
      flushing_ = true;
      for (size_t i = 0; i < total_chunks_; ++i) {
        auto& chunk = chunks_[i];
        for (size_t j = 0; j < chunk->size(); ++j) {
          TraceObject* trace_event = chunk->GetEventAt(j);
          if (trace_event->name()) {
            // 交给 agent 处理
            agent_->AppendTraceEvent(trace_event);
          }
        }
      }
      total_chunks_ = 0;
      flushing_ = false;
    }
  }
  agent_->Flush(blocking);
}

Flush 最终会通知 agent 进行数据的处理并调用 agent 的 Flush。

void Agent::AppendTraceEvent(TraceObject* trace_event) {
  for (const auto& id_writer : writers_)
    id_writer.second->AppendTraceEvent(trace_event);
}

void Agent::Flush(bool blocking) {
  for (const auto& id_writer : writers_)
    id_writer.second->Flush(blocking);
}

agent 也只是简单调用 writer 进行数据的消费。

void NodeTraceWriter::AppendTraceEvent(TraceObject* trace_event) {
  Mutex::ScopedLock scoped_lock(stream_mutex_);
  if (total_traces_ == 0) {
    // 打开 trace 文件
    OpenNewFileForStreaming();
    json_trace_writer_.reset(TraceWriter::CreateJSONTraceWriter(stream_));
  }
  ++total_traces_;
  // 缓存数据
  json_trace_writer_->AppendTraceEvent(trace_event);
}

AppendTraceEvent 只是把数据放到内存里。等待 Flush 时写到文件。

void NodeTraceWriter::Flush(bool blocking) {
  int err = uv_async_send(&flush_signal_);
}

最终通过 uv_async_send 通知 writer，因为 writer 是在子线程里执行的。这个在介绍 Node.js 初始化部分介绍过。具体处理函数是 trace_writer->FlushPrivate()，这个函数就是把数据写到 trace 文件，就不再具体分析。

3.1 JS 方式¶

JS 方式是通过 v8 提供的 trace 函数。

// binding.trace(phase, category, name, id, data)
  SimpleInstallFunction(isolate(), extras_binding, "trace", Builtin::kTrace, 5, true);

上面的代码来自 V8，V8 注册了 trace 函数，对应的实现如下。

// Builtin::kTrace(phase, category, name, id, data)
BUILTIN(Trace) {
  HandleScope handle_scope(isolate);
  Handle<Object> phase_arg = args.atOrUndefined(isolate, 1);
  Handle<Object> category = args.atOrUndefined(isolate, 2);
  Handle<Object> name_arg = args.atOrUndefined(isolate, 3);
  Handle<Object> id_arg = args.atOrUndefined(isolate, 4);
  Handle<Object> data_arg = args.atOrUndefined(isolate, 5);
  // 判断是否开启了该 category 
  const uint8_t* category_group_enabled = GetCategoryGroupEnabled(isolate, Handle<String>::cast(category));
  // 没开启则不处理
  if (!*category_group_enabled) return ReadOnlyRoots(isolate).false_value();
  // 忽略细节处理
  // 开启则处理
  TRACE_EVENT_API_ADD_TRACE_EVENT(
      phase, category_group_enabled, *name, tracing::kGlobalScope, id,
      tracing::kNoId, num_args, &arg_name, &arg_type, &arg_value, flags);

  return ReadOnlyRoots(isolate).true_value();
}

trace 的实现很简单，产生 trace 数据时需要指定的 category，所以第一步首先判断是否开启了该 category 的数据收集，如果没有开启则不进行数据处理，所以 trace 系统在这时候就没有性能损失的，如果开启了则进行处理，下面看一下具体的处理逻辑。

#define TRACE_EVENT_API_ADD_TRACE_EVENT v8::internal::tracing::AddTraceEventImpl

static V8_INLINE uint64_t AddTraceEventImpl(...) {
  v8::TracingController* controller = v8::internal::tracing::TraceEventHelper::GetTracingController();
  return controller->AddTraceEvent(...);
}

AddTraceEvent 刚才已经分析过，就不再分析。

两种产生数据的方式最终殊途同归，但是以上两种方式都是内置在 Node.js 内核的，用户侧无法使用，最近给 Node.js 社区提交了一个 pr（https://github.com/nodejs/node/pull/42462），把第二种方式通过 trace_events 模块导出来给用户使用。

4 收集数据¶

接下来介绍获取数据的逻辑。因为产生和消费 trace 数据会造成额外的开销，所以默认是不开启的，当我们需要收集这些数据的时候，首先需要主动订阅。一共有三种方式。

4.1 命令行方式¶

第一种是在启动 Node.js 时

node --trace-event-categories v8 --trace-event-file-pattern '${pid}-${rotation}.log' server.js

通过 trace-event-categories 可以指定订阅的 category（trace 数据按 category 分类）。通过 trace-event-file-pattern 可以指定文件的格式。这样启动 Node.js 进程后，Node.js 就会把相应 category 的数据写入到某个文件中。这种方式存在比较在的限制，因为需要在启动时指定。

4.2 通过 trace_events 模块¶

第二种方式就是动态开启。

const trace_events = require('trace_events');
const categories = ['node.perf', 'node.async_hooks'];
const tracing = trace_events.createTracing({ categories });
tracing.enable();
// do something
tracing.disable();

通过 createTracing 可以创建一个 trace 对象。

function createTracing(options) {
  return new Tracing(options.categories);
}

class Tracing {
  constructor(categories) {
    this[kHandle] = new CategorySet(categories);
    this[kCategories] = categories;
    this[kEnabled] = false;
  }

  enable() {
    if (!this[kEnabled]) {
      this[kEnabled] = true;
      this[kHandle].enable();
    }
  }
}

新建了一个 CategorySet 对象然后调用其 enable 函数。可以看到，js 层只是对底层 CategorySet 的简单封装。接着看 C++ 层。

class NodeCategorySet : public BaseObject {
 public:

  static void New(const FunctionCallbackInfo<Value>& args);
  static void Enable(const FunctionCallbackInfo<Value>& args);
  static void Disable(const FunctionCallbackInfo<Value>& args);
 private:

  bool enabled_ = false;
  const std::set<std::string> categories_; // 对象关联的 trace 模块
};

接着看 enable 函数的逻辑。

void NodeCategorySet::Enable(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
  NodeCategorySet* category_set;
  ASSIGN_OR_RETURN_UNWRAP(&category_set, args.Holder());
  const auto& categories = category_set->GetCategories();
  // 非空并且没有启动则启动
  if (!category_set->enabled_ && !categories.empty()) {
    // 启动 trace agent，如果已经启动则直接返回
    StartTracingAgent();
    // 通过 writer 注册需要 trace 的模块
    GetTracingAgentWriter()->Enable(categories);
    category_set->enabled_ = true;
  }
}

接着看 GetTracingAgentWriter()->Enable(categories)。GetTracingAgentWriter 返回到是一个 AgentWriterHandle 对象。

void AgentWriterHandle::Enable(const std::set<std::string>& categories) {
  if (agent_ != nullptr) agent_->Enable(id_, categories);
}

void Agent::Enable(int id, const std::set<std::string>& categories) {
  ScopedSuspendTracing suspend(tracing_controller_.get(), this,
                               id != kDefaultHandleId);
  categories_[id].insert(categories.begin(), categories.end());
}

这样就完成了 trace 系统的初始化和订阅了需要 trace 的模块。不过这里还有一个关键的逻辑就是通知 v8，因为开启了哪些 category 是由 v8 管理的，当新增 category 的时候，需要通知 v8。下面看 ScopedSuspendTracing，前面分析过 ScopedSuspendTracing 利用 RAII 在初始化时调用 controller->StopTracing()，析构时调 controller_->StartTracing(config)。我们看一下这两个函数。

void TracingController::StopTracing() {
  bool expected = true;
  // 判断是否已经开启了 trace，是则关闭（recording_ 为 false），否则直接 return
  if (!recording_.compare_exchange_strong(expected, false)) {
    return;
  }
  // 修改所有 category 为关闭哦状态
  UpdateCategoryGroupEnabledFlags();
  std::unordered_set<v8::TracingController::TraceStateObserver*> observers_copy;
  {
    base::MutexGuard lock(mutex_.get());
    observers_copy = observers_;
  }
  // 通知 trace 观察者
  for (auto o : observers_copy) {
    o->OnTraceDisabled();
  }
  // 通知 writer 刷数据到目的地
  {
    base::MutexGuard lock(mutex_.get());
    DCHECK(trace_buffer_);
    trace_buffer_->Flush();
  }
}

逻辑比较明了，主要看 UpdateCategoryGroupEnabledFlags。

void TracingController::UpdateCategoryGroupEnabledFlags() {
  // g_category_index 记录了目前 category 数量
  size_t category_index = base::Acquire_Load(&g_category_index);
  // 清除所有 category 的 开启标记
  for (size_t i = 0; i < category_index; i++) UpdateCategoryGroupEnabledFlag(i);
}

void TracingController::UpdateCategoryGroupEnabledFlag(size_t category_index) {
  unsigned char enabled_flag = 0;
  // g_category_groups 记录了所有 category 的名称
  const char* category_group = g_category_groups[category_index];
  /*
   判断是否正在 trace 并且订阅了 category_group 对应的 category，
   是则设置开启标记，开启了才能收集对应 category 的 trace 数据
  */
  if (recording_.load(std::memory_order_acquire) &&
      trace_config_->IsCategoryGroupEnabled(category_group)) {
    enabled_flag |= ENABLED_FOR_RECORDING;
  }
  // 设置 category 的开启标记
  base::Relaxed_Store(reinterpret_cast<base::Atomic8*>(
                          g_category_group_enabled + category_index),
                      enabled_flag);
}

UpdateCategoryGroupEnabledFlag 在开启和停止 trace 的时候都会被调用，但是对应的逻辑不一样，当停止的时候，recording_ 是 false，所以 enabled_flag 是 0，即清除所有 category 的开启标记。在开启 trace 时，recording_ 是 true，然后根据当前订阅的 category 设置对应的开关。接着看开启 trace 逻辑。

void TracingController::StartTracing(TraceConfig* trace_config) {
  // 记录当前 trace 的 category
  trace_config_.reset(trace_config);
  std::unordered_set<v8::TracingController::TraceStateObserver*> observers_copy;
  {
    base::MutexGuard lock(mutex_.get());
    // 设置开启 trace 标记
    recording_.store(true, std::memory_order_release);
    // 设置打开收集 category 数据的开关
    UpdateCategoryGroupEnabledFlags();
    observers_copy = observers_;
  }
  // 通知 trace 观察者
  for (auto o : observers_copy) {
    o->OnTraceEnabled();
  }
}

StartTracing 和 StopTracing 逻辑比较相似。订阅成功后，后续产生 trace 数据就会写入到文件。

4.3 通过 inspector 模块¶

第三种方式不仅可以动态开启，还能直接拿到 trace 数据，这种方式具体是通过 Inspector 协议。首先看一下如何使用这种方式。

const { Session } = require('inspector');
const session = new Session();
session.connect();
function post(message, data) {
  return new Promise((resolve, reject) => {
    session.post(message, data, (err, result) => {
      if (err)
        reject(new Error(JSON.stringify(err)));
      else
        resolve(result);
    });
  });
}

async function test() {
    session.on('NodeTracing.dataCollected', (data) => {
      console.log(data.params.value);
    });

    session.on('NodeTracing.tracingComplete', () => {
        console.log('done');
    });
    const { categories } = await post('NodeTracing.getCategories');
    const traceConfig = { includedCategories: categories };
    await post('NodeTracing.start', { traceConfig });
    setTimeout(() => {
        post('NodeTracing.stop');
    }, 1000);
}

test();

使用方式比较固定，也比较简单，trace event 是基于类型的，比如同步文件 IO，DNS 解析。所以第一步首先设置需要收集的模块类型，也可以通过 NodeTracing.getCategories 命令获取当前支持的模块类型。接着通过 NodeTracing.start 开启数据收集，收集一段时间后，通过 NodeTracing.stop 停止数据的收集，在这个过程中，收集的数据会通过 NodeTracing.dataCollected 事件源源不断地流向用户侧，我们可以保存这些数据后续进行分析，收集完毕后会触发 NodeTracing.tracingComplete 事件，从而完成整个过程。下面我们来看一下这些命令的实现。首先看一下整体的架构。

之前介绍过 Node.js Inspector 的架构，本文就不再具体展开介绍。简单来说，当我们通过 js 层的 session 发送命令时，代码流程从图的左边到右边，收集到数据时，代码流程从右往左回调 js 层。首先来看一下 NodeTracing.start。Node.js 的 Inspector 框架采用两级路由的机制，首先通过 NodeTracing 找到一级路由，在 inspetor 里叫 Domain，然后再通过 start 找到二级路由。来看一下每个路由对应的函数。

m_dispatchMap["NodeTracing.getCategories"] = &DispatcherImpl::getCategories;
m_dispatchMap["NodeTracing.start"] = &DispatcherImpl::start;
m_dispatchMap["NodeTracing.stop"] = &DispatcherImpl::stop;

我们只关注 start 和 stop 的逻辑。

void DispatcherImpl::start(int callId, const String& method, const ProtocolMessage& message, std::unique_ptr<DictionaryValue> requestMessageObject, ErrorSupport* errors)
{
    protocol::DictionaryValue* object = DictionaryValue::cast(requestMessageObject->get("params"));
    protocol::Value* traceConfigValue = object ? object->get("traceConfig") : nullptr;
    std::unique_ptr<protocol::NodeTracing::TraceConfig> in_traceConfig = ValueConversions<protocol::NodeTracing::TraceConfig>::fromValue(traceConfigValue, errors);

    std::unique_ptr<DispatcherBase::WeakPtr> weak = weakPtr();
    DispatchResponse response = m_backend->start(std::move(in_traceConfig));
    if (weak->get())
        weak->get()->sendResponse(callId, response);
    return;
}

start 里调用了 m_backend->start，根据架构图可知道 m_backend 的值是 TracingAgent 对象。

DispatchResponse TracingAgent::start(std::unique_ptr<protocol::NodeTracing::TraceConfig> traceConfig) {

  std::set<std::string> categories_set;
  protocol::Array<std::string>* categories = traceConfig->getIncludedCategories();
  for (size_t i = 0; i < categories->length(); i++)
    categories_set.insert(categories->get(i));

  tracing::AgentWriterHandle* writer = GetTracingAgentWriter();
  if (writer != nullptr) {
    trace_writer_ =
        writer->agent()->AddClient(categories_set,
                                   std::make_unique<InspectorTraceWriter>(
                                       frontend_object_id_, main_thread_),
                                   tracing::Agent::kIgnoreDefaultCategories);
  }
  return DispatchResponse::OK();
}

最终通过 AddClient 往 tracing 系统注册了一个消费者，inspector 模块实现了自己的 writer InspectorTraceWriter。当tracing 系统产生数据时，就会通过 InspectorTraceWriter 进行消费，看一下这个 InspectorTraceWriter 对象的核心逻辑。

 void AppendTraceEvent(
      v8::platform::tracing::TraceObject* trace_event) override {
    if (!json_writer_)
      json_writer_.reset(TraceWriter::CreateJSONTraceWriter(stream_, "value"));
    json_writer_->AppendTraceEvent(trace_event);
  }

  void Flush(bool) override {
    if (!json_writer_)
      return;
    json_writer_.reset();
    std::ostringstream result(
        "{\"method\":\"NodeTracing.dataCollected\",\"params\":",
        std::ostringstream::ate);
    result << stream_.str();
    result << "}";
    main_thread_->Post(std::make_unique<SendMessageRequest>(frontend_object_id_,
                                                            result.str()));
    stream_.str("");
  }

tracing 系统调用 AppendTraceEvent 进行数据的消费，不过这些数据会先缓存到内存，然后再调用 Flush 通知真正的消费者，在 Flush 函数里我们可以看到，通过发送一个 SendMessageRequest 触发了 NodeTracing.dataCollected 事件。接着看一下 SendMessageRequest 的逻辑。

void Call(MainThreadInterface* thread) override {
  DeletableFrontendWrapper* frontend_wrapper = static_cast<DeletableFrontendWrapper*>(thread->GetObjectIfExists(object_id_));
  if (frontend_wrapper == nullptr) return;
  auto frontend = frontend_wrapper->get();
  if (frontend != nullptr) {
    frontend->sendRawJSONNotification(message_);
  }
}

void Frontend::sendRawJSONNotification(String notification)
{
    m_frontendChannel->sendProtocolNotification(InternalRawNotification::fromJSON(std::move(notification)));
}

Call 又调用了 m_frontendChannel->sendRawJSONNotification，根据架构图，m_frontendChannel 的值是 ChannelImpl。最后通过 ChannelImpl 通知用户侧。接着看 stop 的逻辑。

DispatchResponse TracingAgent::stop() {
  trace_writer_.reset();
  frontend_->tracingComplete();
  return DispatchResponse::OK();
}

首先看一下 trace_writer_.reset()。

void AgentWriterHandle::reset() {
  if (agent_ != nullptr)
    agent_->Disconnect(id_);
  agent_ = nullptr;
}

void Agent::Disconnect(int client) {
  if (client == kDefaultHandleId) return;
  {
    Mutex::ScopedLock lock(initialize_writer_mutex_);
    to_be_initialized_.erase(writers_[client].get());
  }
  ScopedSuspendTracing suspend(tracing_controller_.get(), this);
  writers_.erase(client);
  categories_.erase(client);
}

接着看 ScopedSuspendTracing。

ScopedSuspendTracing(TracingController* controller, Agent* agent,
                       bool do_suspend = true)
    : controller_(controller), agent_(do_suspend ? agent : nullptr) {
    if (do_suspend) {
      CHECK(agent_->started_);
      controller->StopTracing();
    }
}

void TracingController::StopTracing() {
 base::MutexGuard lock(mutex_.get());
 trace_buffer_->Flush();
}

把所有数据 Flush 到用户侧后触发 tracingComplete 事件。

void Frontend::tracingComplete()
{
    if (!m_frontendChannel)
        return;
    m_frontendChannel->sendProtocolNotification(InternalResponse::createNotification("NodeTracing.tracingComplete"));
}