nodejs 異步I/O和事件驅動

nodejs 異步I/O和事件驅動

注：本文是對衆多博客的學習和總結，可能存在理解錯誤。請帶着懷疑的眼光，同時若是有錯誤但願能指出。

接觸nodejs有兩個月，對nodejs的兩大特性一直有點模糊，即異步IO和事件驅動。經過對《深刻淺出nodejs》和幾篇博客的閱讀之後，有了大體的瞭解，總結一下。

幾個例子

在開始以前，先來看幾個簡單例子，這也是我在使用nodejs時候遇到的幾個比較困惑的例子。

---

example 1

var fs = require("fs");
var debug = require('debug')('example1');

debug("begin");

setTimeout(function(){
    debug("timeout1");
});

setTimeout(function(){
    debug("timeout2");
});

debug('end');
/** 運行結果
Sat, 21 May 2016 08:41:09 GMT example1 begin
Sat, 21 May 2016 08:41:09 GMT example1 end
Sat, 21 May 2016 08:41:09 GMT example1 timeout1
Sat, 21 May 2016 08:41:09 GMT example1 timeout2
*/

question 1

爲什麼timeout1和timeout2的結果會在end後面？

---

example 2

var fs = require("fs");
var debug = require('debug')('example2');

debug("begin");

setTimeout(function(){
    debug("timeout1");
});

setTimeout(function(){
    debug("timeout2");
});

debug('end');

while(true);
/**  運行結果
Sat, 21 May 2016 08:45:47 GMT example2 begin
Sat, 21 May 2016 08:45:47 GMT example2 end
*/

question 2

爲什麼timeout1和timeout2沒有輸出到終端？while(true)到底阻塞了什麼？

---

example 3

var fs = require("fs");
var debug = require('debug')('example3');

debug("begin");

setTimeout(function(){
    debug("timeout1");
    while (true);
});

setTimeout(function(){
    debug("timeout2");
});

debug('end');
/**  運行結果
Sat, 21 May 2016 08:49:12 GMT example3 begin
Sat, 21 May 2016 08:49:12 GMT example3 end
Sat, 21 May 2016 08:49:12 GMT example3 timeout1
*/

question 3

爲何timeout1中回調函數會阻塞timeout2中的回調函數的執行？

---

example 4

var fs = require("fs");
var debug = require('debug')('example4');

debug("begin");

setTimeout(function(){
    debug("timeout1");
    /**
     * 模擬計算密集
     */
    for(var i = 0 ; i < 1000000 ; ++i){
        for(var j = 0 ; j < 100000 ; ++j);
    }
});

setTimeout(function(){
    debug("timeout2");
});

debug('end');
/**
Sat, 21 May 2016 08:53:27 GMT example4 begin
Sat, 21 May 2016 08:53:27 GMT example4 end
Sat, 21 May 2016 08:53:27 GMT example4 timeout1
Sat, 21 May 2016 08:54:09 GMT example4 timeout2  //注意這裏的時間晚了很久
*/

question 4

和上面的問題同樣，爲什麼timeout1的計算密集型工做將會阻塞timeout2的回調函數的執行？

---

example 5

var fs = require("fs");
var debug = require('debug')('example5');

debug("begin");

fs.readFile('package.json','utf-8',function(err,data){
    if(err)  
        debug(err);
    else
        debug("get file content");
});

setTimeout(function(){
    debug("timeout2");
});

debug('end');
/** 運行結果
Sat, 21 May 2016 08:59:14 GMT example5 begin
Sat, 21 May 2016 08:59:14 GMT example5 end
Sat, 21 May 2016 08:59:14 GMT example5 timeout2
Sat, 21 May 2016 08:59:14 GMT example5 get file content
*/

question 5

爲什麼讀取文件的IO操做不會阻塞timeout2的執行？

---

接下來咱們就帶着上面幾個疑惑去理解nodejs中的異步IO和事件驅動是如何工做的。

異步IO(asynchronous I/O)

首先來理解幾個容易混淆的概念，阻塞IO(blocking I/O)和非阻塞IO(non-blocking I/O)，同步IO(synchronous I/O)和異步IO(synchronous I/O)。

博主一直天真的覺得非阻塞I/O就是異步I/O T_T，apue一直沒有讀懂。

阻塞I/O 和 非阻塞I/O

簡單來講，阻塞I/O就是當用戶發一個讀取文件描述符的操做的時候，進程就會被阻塞，直到要讀取的數據所有準備好返回給用戶，這時候進程纔會解除block的狀態。

那非阻塞I/O呢，就與上面的狀況相反，用戶發起一個讀取文件描述符操做的時，函數當即返回，不做任何等待，進程繼續執行。可是程序如何知道要讀取的數據已經準備好了呢？最簡單的方法就是輪詢。

除此以外，還有一種叫作IO多路複用的模式，就是用一個阻塞函數同時監聽多個文件描述符，當其中有一個文件描述符準備好了，就立刻返回，在linux下，select,poll,epoll都提供了IO多路複用的功能。

同步I/O 和 異步I/O

那麼同步I/O和異步I/O又有什麼區別麼？是否是隻要作到非阻塞IO就能夠實現異步I/O呢？

其實否則。

• 同步I/O(synchronous I/O)作I/O operation的時候會將process阻塞,因此阻塞I/O，非阻塞I/O，IO多路複用I/O都是同步I/O。

• 異步I/O(asynchronous I/O)作I/O opertaion的時候將不會形成任何的阻塞。

非阻塞I/O都不阻塞了爲何不是異步I/O呢？其實當非阻塞I/O準備好數據之後仍是要阻塞住進程去內核拿數據的。因此算不上異步I/O。

這裏借一張圖(圖來自這裏)來講明他們之間的區別

][1]

更多IO更多的詳細內容能夠在這裏找到:

• Linux IO模式及 select、poll、epoll詳解

• select / poll / epoll: practical difference for system architects

事件驅動

事件驅動(event-driven)是nodejs中的第二大特性。何爲事件驅動呢？簡單來講，就是經過監聽事件的狀態變化來作出相應的操做。好比讀取一個文件，文件讀取完畢，或者文件讀取錯誤，那麼就觸發對應的狀態，而後調用對應的回掉函數來進行處理。

線程驅動和事件驅動

那麼線程驅動編程和事件驅動編程之間的區別是什麼呢？

• 線程驅動就是當收到一個請求的時候，將會爲該請求開一個新的線程來處理請求。通常存在一個線程池，線程池中有空閒的線程，會從線程池中拿取線程來進行處理，若是線程池中沒有空閒的線程，新來的請求將會進入隊列排隊，直到線程池中空閒線程。

• 事件驅動就是當進來一個新的請求的時，請求將會被壓入隊列中，而後經過一個循環來檢測隊列中的事件狀態變化，若是檢測到有狀態變化的事件，那麼就執行該事件對應的處理代碼，通常都是回調函數。

對於事件驅動編程來講，若是某個時間的回調函數是計算密集型，或者是阻塞I/O,那麼這個回調函數將會阻塞後面全部事件回調函數的執行。這一點尤其重要。

nodejs的事件驅動和異步I/O

事件驅動模型

上面介紹了那麼多的概念，如今咱們來看看nodejs中的事件驅動和異步I/O是如何實現的.

nodejs是單線程(single thread)運行的，經過一個事件循環(event-loop)來循環取出消息隊列(event-queue)中的消息進行處理,處理過程基本上就是去調用該消息對應的回調函數。消息隊列就是當一個事件狀態發生變化時，就將一個消息壓入隊列中。

nodejs的時間驅動模型通常要注意下面幾個點：

• 由於是單線程的，因此當順序執行js文件中的代碼的時候，事件循環是被暫停的。

• 當js文件執行完之後，事件循環開始運行，並從消息隊列中取出消息，開始執行回調函數

• 由於是單線程的，因此當回調函數被執行的時候，事件循環是被暫停的

• 當涉及到I/O操做的時候，nodejs會開一個獨立的線程來進行異步I/O操做，操做結束之後將消息壓入消息隊列。

下面咱們從一個簡單的js文件入手，來看看 nodejs是如何執行的。

var fs = require("fs");
var debug = require('debug')('example1');

debug("begin");

fs.readFile('package.json','utf-8',function(err,data){
    if(err)  
        debug(err);
    else
        debug("get file content");
});

setTimeout(function(){
    debug("timeout2");
});

debug('end'); // 運行到這裏以前，事件循環是暫停的

1. 同步執行debug("begin")

2. 異步調用fs.readFile()，此時會開一個新的線程去進行異步I/O操做

3. 異步調用setTimeout()，立刻將超時信息壓入到消息隊列中

4. 同步調用debug("end")

5. 開啓事件循環，彈出消息隊列中的信息(目前是超時信息)

6. 而後執行信息對應的回調函數(事件循環又被暫停)

7. 回調函數執行結束後，開始事件循環(目前消息隊列中沒有任何東西，文件還沒讀完)

8. 異步I/O讀取文件完畢，將消息壓入消息隊列(消息中含有文件內容或者是出錯信息)

9. 事件循環取得消息，執行回調

10. 程序退出。

這裏借一張圖來講明nodejs的事件驅動模型（圖來自這裏）
][2]

這裏最後要說的一點就是如何手動將一個函數推入隊列,nodejs爲咱們提供了幾個比較方便的方法:

• setTimeout()

• process.nextTick()

• setImmediate()

異步I/O

nodejs中的異步I/O的操做是經過libuv這個庫來實現的，包含了window和linux下面的異步I/O實現，博主也沒有研究過這個庫，感興趣的讀者能夠移步到這裏

問題答案

好，到目前爲止，已經能夠回答上面的問題了

---

question 1

爲什麼timeout1和timeout2的結果會在end後面？

answer 1

由於此時timeout1和timeout2只是被異步函數推入到了隊列中，事件循環仍是暫停狀態

---

question 2

爲什麼timeout1和timeout2沒有輸出到終端？while(true)到底阻塞了什麼？

answer 2

由於此處直接阻塞了事件循環，還沒開始，就已經被阻塞了

---

question 3,4

1. 爲何timeout1中回調函數會阻塞timeout2中的回調函數的執行？

2. 爲什麼timeout1的計算密集型工做將會阻塞timeout2的回調函數的執行？

answer 3,4

由於該回調函數執行返回事件循環纔會繼續執行，回調函數將會阻塞事件循環的運行

---

question 5

爲什麼讀取文件的IO操做不會阻塞timeout2的執行？

answer 5

由於IO操做是異步的，會開啓一個新的線程，不會阻塞到事件循環

---

參考文獻：

• What exactly is a Node.js event loop tick?

• What is the difference between a thread-based server and an event-based server?

• Some confusion about nodejs threads

• The JavaScript Event Loop: Explained

• poll vs select vs event-based

• Linux IO模式及 select、poll、epoll詳解