Node.js采用 事件驅(qū)動(dòng) 和 異步I/O 的方式，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)單線程、高并發(fā)的運(yùn)行時(shí)環(huán)境，而單線程就意味著同一時(shí)間只能做一件事，那么Node.js如何利用單線程來實(shí)現(xiàn)高并發(fā)和異步I/O？本文將圍繞這個(gè)問題來探討Node.js的單線程模型：

 

1、高并發(fā)

一般來說，高并發(fā)的解決方案就是多線程模型，服務(wù)器為每個(gè)客戶端請求分配一個(gè)線程，使用同步I/O，系統(tǒng)通過線程切換來彌補(bǔ)同步I/O調(diào)用的時(shí)間開銷，比如Apache就是這種策略，由于I/O一般都是耗時(shí)操作，因此這種策略很難實(shí)現(xiàn)高性能，但非常簡單，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的交互邏輯。

而事實(shí)上，大多數(shù)網(wǎng)站的服務(wù)器端都不會做太多的計(jì)算，它們只是接收請求，交給其它服務(wù)（比如從數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)），然后等著結(jié)果返回再發(fā)給客戶端。因此，Node.js針對這一事實(shí)采用了單線程模型來處理，它不會為每個(gè)接入請求分配一個(gè)線程，而是用一個(gè)主線程處理所有的請求，然后對I/O操作進(jìn)行異步處理，避開了創(chuàng)建、銷毀線程以及在線程間切換所需的開銷和復(fù)雜性。

 

2、事件循環(huán) 

Node.js 在主線程中維護(hù)了一個(gè)事件隊(duì)列，當(dāng)接收到請求后，就將請求作為一個(gè)事件放入該隊(duì)列中，然后繼續(xù)接收其他請求。當(dāng)主線程空閑時(shí)(沒有請求接入時(shí))，就開始循環(huán)事件隊(duì)列，檢查隊(duì)列中是否有要處理的事件，這時(shí)要分兩種情況：如果是非I/O任務(wù)，就親自處理，并通過回調(diào)函數(shù)返回到上層調(diào)用；如果是I/O任務(wù)，就從線程池中拿出一個(gè)線程來執(zhí)行這個(gè)事件，并指定回調(diào)函數(shù)，然后繼續(xù)循環(huán)隊(duì)列中的其他事件。當(dāng)線程中的I/O任務(wù)完成后，就執(zhí)行指定的回調(diào)函數(shù)，并把這個(gè)完成的事件放到事件隊(duì)列的尾部，等待事件循環(huán)，當(dāng)主線程再次循環(huán)到該事件時(shí)，就直接處理并返回給上層調(diào)用。 這個(gè)過程就叫事件循環(huán)(Event Loop)，如下圖所示：

平面設(shè)計(jì)培訓(xùn),網(wǎng)頁設(shè)計(jì)培訓(xùn),美工培訓(xùn),游戲開發(fā),動(dòng)畫培訓(xùn)

這個(gè)圖是整個(gè)Node.js的運(yùn)行原理，從左到右，從上到下，Node.js被分成了四層，分別是應(yīng)用層、V8引擎層、Node API層 和 LIBUV層，

  • 應(yīng)用層：   即Javascript交互層，常見的就是Node.js的模塊，比如 http，fs

  • V8引擎層：  即利用V8引擎來解析Javascript語法，進(jìn)而和下層API交互

  • NodeAPI層：  為上層模塊提供系統(tǒng)調(diào)用，一般是由C語言來實(shí)現(xiàn)，和操作系統(tǒng)進(jìn)行交互

  • LIBUV層： 即Event Loop，是Node.js實(shí)現(xiàn)異步的核心，由LIBUV庫來實(shí)現(xiàn)，而LIBUV中的線程池是由操作系統(tǒng)內(nèi)核接受管理的。

在Node中，無論是Linux平臺還是Windows平臺，內(nèi)部都是通過線程池來完成IO操作的，而LIBUV就是針對不同平臺的差異性實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一調(diào)用。因此，Node.js的單線程僅僅是指Javascript運(yùn)行在單線程中，而并非Node.js是單線程。

 

3、事件驅(qū)動(dòng)

Node.js實(shí)現(xiàn)異步的核心是事件驅(qū)動(dòng)。也就是說，它把每一個(gè)任務(wù)都當(dāng)成事件來處理，然后通過Event Loop 模擬了異步的效果，為了更具體、更清晰的理解和接受這個(gè)事實(shí)，我們用代碼來描述這個(gè)實(shí)現(xiàn)過程：

【1】事件隊(duì)列

首先，我們需要定義一個(gè)事件隊(duì)列，既然是隊(duì)列，那就是一個(gè)先進(jìn)先出(FIFO)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，我們用JS的數(shù)組來描述，如下：

1
2
3
4
5
6
7
/**
 * 定義事件隊(duì)列
 * 入隊(duì)：unshfit()
 * 出隊(duì)：pop()
 * 空隊(duì)列：length == 0
 */
eventQueue:[],

為了方便理解，我們規(guī)定：數(shù)組的第一個(gè)元素是隊(duì)列的尾部，數(shù)組的最后一個(gè)元素是隊(duì)列的頭部， unshfit 就是在尾部插入一個(gè)元素，pop就是從頭部彈出一個(gè)元素，這樣就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡單的隊(duì)列。

【2】接收請求

定義一個(gè)總的入口來接收用戶請求，如下所示：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
/**
 * 接收用戶請求
 * 每一個(gè)請求都會進(jìn)入到該函數(shù)
 * 傳遞參數(shù)request和response
 */
processHttpRequest:function(request,response){
     
    //定義一個(gè)事件對象
    var event = createEvent({
        params:request.params, //傳遞請求參數(shù)
        result:null, //存放請求結(jié)果
        callback:function(){} //指定回調(diào)函數(shù)
    });
 
    //在隊(duì)列的尾部添加該事件  
    eventQueue.unshift(event);
},

這個(gè)函數(shù)很簡單，就是把用戶的請求包裝成事件，放到隊(duì)列里，然后繼續(xù)接收其他請求。

【3】事件循環(huán) ( Event Loop )

當(dāng)主線程處于空閑時(shí)就開始循環(huán)事件隊(duì)列，所以，我們再定義一個(gè)事件循環(huán)的函數(shù)：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
/**
 * 事件循環(huán)主體，主線程擇機(jī)執(zhí)行
 * 循環(huán)遍歷事件隊(duì)列
 * 處理事件
 * 執(zhí)行回調(diào)，返回給上層
 */
eventLoop:function(){
    //如果隊(duì)列不為空，就繼續(xù)循環(huán)
    while(this.eventQueue.length > 0){
         
        //從隊(duì)列的頭部拿出一個(gè)事件
        var event = this.eventQueue.pop();
         
        //如果是IO任務(wù)
        if(isIOTask(event)){
            //從線程池里拿出一個(gè)線程
            var thread = getThreadFromThreadPool();
            //交給線程處理
            thread.handleIOTask(event)
        }else {
            //非IO任務(wù)處理后，直接返回結(jié)果
            var result = handleEvent(event);
            //最終通過回調(diào)函數(shù)返回給V8，再由V8返回給應(yīng)用程序
            event.callback.call(null,result);
        }
    }
},

主線程不停的檢測事件隊(duì)列，對于IO任務(wù)就交給線程池來處理，非IO任務(wù)就自己處理并返回。

【4】線程池

線程池接到任務(wù)以后，直接處理IO操作，比如讀取數(shù)據(jù)庫：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
/**
 * 處理IO任務(wù)
 * 完成后將事件添加到隊(duì)列尾部
 * 釋放線程
 */
handleIOTask:function(event){
    //當(dāng)前線程
    var curThread = this;
 
    //操作數(shù)據(jù)庫
    var optDatabase = function(params,callback){
        var result = readDataFromDb(params);
        callback.call(null,result)
    };
     
    //執(zhí)行IO任務(wù)
    optDatabase(event.params,function(result){
        //返回結(jié)果存入事件對象中
        event.result = result;
 
        //IO完成后，將不再是耗時(shí)任務(wù)
        event.isIOTask = false;
         
        //將該事件重新添加到隊(duì)列的尾部
        this.eventQueue.unshift(event);
         
        //釋放當(dāng)前線程
        releaseThread(curThread)
    })
}

當(dāng)IO任務(wù)完成以后就執(zhí)行回調(diào)，把請求結(jié)果存入事件中，并將該事件重新放入隊(duì)列中，等待循環(huán)，最后釋放線程。當(dāng)主線程再次循環(huán)到該事件時(shí)，就直接處理了。

總結(jié)以上過程我們發(fā)現(xiàn)，Node.js 的主線程就是一個(gè)單線程，它接收請求后并沒有直接做處理，而是放到了事件隊(duì)列中，然后去接收其他請求了，空閑時(shí)再通過Event Loop來處理這些事件，從而實(shí)現(xiàn)了異步效果，當(dāng)然對于IO類任務(wù)還要依賴于系統(tǒng)層面的線程池來處理。因此，我們可以簡單理解為：Node.js本身是一個(gè)多線程平臺，而它對JS層面的任務(wù)處理是單線程。

 

4、Node.js軟肋

至此，我們對Node.js應(yīng)該有了一個(gè)簡單而又清晰的認(rèn)識，但Node.js 并不是什么都能做。

上面提到，如果是I/O任務(wù)，Nodejs就把任務(wù)交給線程池來異步處理，高效簡單，因此Node.js適合處理I/O密集型任務(wù)，但不是所有的任務(wù)都是I/O密集型任務(wù)，當(dāng)碰到CPU密集型任務(wù)時(shí)，就是只用CPU計(jì)算的操作，比如要對數(shù)據(jù)加解密(node.bcrypt.js)，數(shù)據(jù)壓縮和解壓(node-tar)，這時(shí)Node.js就會親自處理，一個(gè)一個(gè)的計(jì)算，前面的任務(wù)沒有執(zhí)行完，后面的任務(wù)只能干等著，如下圖所示：

平面設(shè)計(jì)培訓(xùn),網(wǎng)頁設(shè)計(jì)培訓(xùn),美工培訓(xùn),游戲開發(fā),動(dòng)畫培訓(xùn)

在事件隊(duì)列中，如果前面的CPU計(jì)算任務(wù)沒有完成，那么后面的任務(wù)就會被阻塞，出現(xiàn)響應(yīng)緩慢的情況，如果操作系統(tǒng)本身就是單核，那也就算了，但現(xiàn)在大部分服務(wù)器都是多CPU或多核的，而Node.js只有一個(gè)EventLoop，也只占用一個(gè)CPU/內(nèi)核，當(dāng)Node.js被CPU密集型任務(wù)占用，導(dǎo)致其他任務(wù)被阻塞時(shí)，卻還有CPU/內(nèi)核處理閑置狀態(tài)，造成資源浪費(fèi)。因此Node.js并不適合CPU密集型任務(wù)。

 

5、Node.js適用場景

RESTful API，這是適合 Node 的理想情況，因?yàn)槟梢詷?gòu)建它來處理數(shù)萬條連接。它仍然不需要大量邏輯；它本質(zhì)上只是從某個(gè)數(shù)據(jù)庫中查找一些值并將它們組成一個(gè)響應(yīng)。由于響應(yīng)是少量文本，入站請求也是少量的文本，因此流量不高，一臺機(jī)器甚至也可以處理最繁忙的公司的 API 需求。

實(shí)時(shí)程序，比如聊天服務(wù)，聊天應(yīng)用程序是最能體現(xiàn) Node.js 優(yōu)點(diǎn)的例子：輕量級、高流量并且能良好的應(yīng)對跨平臺設(shè)備上運(yùn)行密集型數(shù)據(jù)（雖然計(jì)算能力低）。同時(shí)，聊天也是一個(gè)非常值得學(xué)習(xí)的用例，因?yàn)樗芎唵?，并且涵蓋了目前為止一個(gè)典型的 Node.js 會用到的大部分解決方案。 

http://www.cnblogs.com/onepixel/p/7143769.html