Node 高性能異步I/O框架

時間 2019-11-15

標籤 node 高性能異步框架简体版

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1，什麼是Node？

首先介紹下什麼是nodejavascript

1，單線程前端

node保持了javascript在瀏覽器中單線程的特色，Node中，Javascript與其他線程沒法共享任何狀態。java

單線程好處：不用到處在乎狀態的同步，沒有死鎖，也沒有線程上下文切換帶來的性能開銷。node

單線程壞處：沒法利用多核cpu，錯誤會引發整個應用退出，應用的健壯性值得考驗，大量計算佔用CPU沒法繼續調用異步I/O。git

（注意：針對這些單線程壞處，node都有解決方案，這裏不談）es6

2，跨平臺（基於libuv）github

兼容Windows和＊nix平臺主要得益於Node在架構層的的改動，它在操做系統與Node與操做系統之間構建了一層平臺層框架，即libuv。目前，libuv已是許多系統實現跨平臺的基礎組件。web

經過良好的架構，Node的第三方C++模塊也能夠藉助libuv實現跨平臺，目前，除了沒有保持更新的C++模塊外，大部分C++模塊都能實現跨平臺的兼容。apache

3，模塊機制

Java有類文件，Python有import機制，Ruby有require,PHP有include和require。瀏覽器端Javascript是沒有標準的模塊機制的，只能經過<script>標籤引入代碼顯得雜亂無章，npm

語言自己沒有組織和約束能力，開發者不得不經過命名空間等方式人爲約束代碼。－》AMD，CMD。

CommonJS規範:但願javascript可以在任何地方運行。

CommonJS的規範提出主要是爲了彌補當前Javascript沒有標準的缺陷，以達到像Python,Ruby和Java具有開發大型應用的基礎能力，而不是停留在小腳本程序的階段.NodeJS是這種規範的實現

CommonJS規範涵蓋了模塊，二進制，Buffer,字符集編碼，I/O流，進程環境，文件系統，套接字，單元測試，Web服務網管接口，包管理等。

CommonJS有不少實現，其中不乏不少大名鼎鼎的項目，好比說：Apache的CouchDB和node.js等。但這些項目大部分只實現了CommonJS的部分規範。具體的項目和實現部分參見官方網站的說明：http://commonjs.org/impl/

Node模塊實現

4，應用場景

I/O密集型

是否不擅長cpu密集型？

2，異步的原理。

但凡這種「既是單線程又是異步」的語言有一個共同特色：它們是 event-driven 的。驅動它們的 event 來自一個異構的平臺。

異步調用(封裝參數)－》線程池（iocp）－》事件循環（監聽者－》執行回調函數）

阻塞I/O與非阻塞I/O：操做系統內核對於I/O只有兩種方式：阻塞與非阻塞。

［注］：操做系統對計算機進行了抽象，將全部輸入輸出設備抽象爲文件，內核在進行文件I/O操做時，經過文件描述符進行管理，而文件描述符相似於應用程序與系統內核

之間的憑證。應用程序若是須要進行I/O調用，須要先打開文件描述符，而後根據文件描述符去實現文件的數據讀寫。此處阻塞/O與非阻塞I/O的區別在於阻塞I/O完成整個獲取

數據的過程，而非阻塞I/O則不帶數據直接返回，要獲取數據，還須要經過文件描述符再次讀取。

阻塞I/O的一個特色是必定要等待系統內核層面完成全部數據操做後，調用才結束。以讀取磁盤文件爲例：系統內核在完成磁盤尋道，讀取數據，複製數據到內存中以後這個調

用才結束。如圖：

阻塞I/O形成了CPU等待，浪費了等待時間，CPU的處理能力不能獲得充分利用。爲了提升性能，內核提升了非阻塞I/O。非阻塞I/O跟阻塞I/O的區別爲調用以後當即返回，如圖：

非阻塞I/O返回以後，CPU的時間片能夠用來處理其餘事務，此時性能提高是明顯的。

但非阻塞I/O也存在一些問題。因爲完整的I/O沒有完成，當即返回並非業務層指望的數據，而僅僅是打當前調用的狀態，爲了獲取完整的數據，應用層序須要重複調用I/O操做來

確認是否完成。這種重複的調用判斷操做是否完成的技術叫作輪詢。［注］：任意技術都並不是是完美的，阻塞I/O形成CPU等待浪費，非阻塞I/O帶來的麻煩倒是須要輪詢取確認是否

徹底完成數據獲取，他會讓CPU處理狀態判斷，是對CPU的資源浪費。

輪詢技術是有演進的，以減小I/O狀態判斷的CPU損耗。從read->select->poll->epoll。具體狀況這裏不談。

理想的非阻塞異步I/O：咱們指望的完美的異步I/O應該是應用程序發起非阻塞調用，無需經過遍歷或者事件喚醒燈方式輪詢，能夠直接處理下一個任務，只須要在I/O完成後經過信號

或者回調函數講數據傳遞給應用程序便可，以下圖：

幸運的是，在Linux中存在這中方式，它提供一個異步的I/O方式（AIO）就是經過信號或回調來傳遞數據的。但不幸的是，只有Linux中有，而且AIO只支持內核I/O中的O_DIRECT方法

讀取，而且沒法利用系統緩存。

現實的異步I/O

現實確定比理想要骨感一些，可是要達成異步I/O的目標，也並不是難事。前面咱們講場景都限定在單線程的狀態下，多線程的方式就是另外一番風景了。經過讓部分線程進行阻塞I/O

或者非阻塞I/O加輪詢技術來完成數據獲取，讓一個線程進行計算，經過線程之間的同窗講I/O獲得數據進行傳遞，這就輕鬆實現了異步I/O（儘管是模擬的）。

［注］：這裏的I/O不只僅只侷限於磁盤讀寫＊nix將計算機抽象了一番，磁盤文件，硬件，套接字等幾乎全部計算機資源都被抽象成了文件，所以這裏的描述的阻塞和非阻塞的狀況

一樣適合套接字等。

［注］：咱們雖然時常提到Node是單線程的，這裏的單線程僅僅指的是Javascript執行在但造成中罷了。在Node中，不管是什麼平臺，內部完成的I/O任務都是另有線程池的。

3，爲何要用異步？

4，經常使用的異步庫

Deferred是前端解決異步操做的一種編程範式，後來出現的Promise規範更是讓其普適性大大提升。不過Promise規範也存在分岐。如今最流行的是Promise/A+規範。

4,1 Promise

在這些Promise的實現類庫中，主要對兩種類型的類庫進行介紹。一種是被稱爲 Polyfill 的類庫，另外一種是即具備 Promises/A+兼容性，又增長了本身獨特功能的類庫。

PolyFill

只須要在瀏覽器中加載Polyfill類庫，就能使用IE10等或者尚未提供對Promise支持的瀏覽器中使用Promise裏規定的方法。也就是說若是加載了Polyfill類庫，就能在還不支持Promise 的環境中，運行Promise。

1,jakearchibald/es6-promise

一個兼容 ES6 Promises 的Polyfill類庫。它基於 RSVP.js 這個兼容 Promises/A+ 的類庫，它只是 RSVP.js 的一個子集，只實現了Promises 規定的 API。

2,yahoo/ypromise

這是一個獨立版本的 YUI 的 Promise Polyfill，具備和 ES6 Promises 的兼容性。

以做爲ES6 Promises的polyfill爲目的的類庫它嚴格按照ES6 Promises的規範設計，沒有添加在規範中沒有定義的功能。若是運行環境有原生的Promise支持的話，則優先使用原生的 Promise支持。一個兼容 ES6 Promises 的Polyfill類庫。它基於 RSVP.js 這個兼容 Promises/A+ 的類庫，它只是 RSVP.js 的一個子集，只實現了Promises 規定的 API。