Node.js 事件循環機制

時間 2019-11-15

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Node.js 採用事件驅動和異步 I/O 的方式，實現了一個單線程、高併發的 JavaScript 運行時環境，而單線程就意味着同一時間只能作一件事，那麼 Node.js 如何經過單線程來實現高併發和異步 I/O？本文將圍繞這個問題來探討 Node.js 的單線程模型。html

高併發策略

通常來講，高併發的解決方案就是提供多線程模型，服務器爲每一個客戶端請求分配一個線程，使用同步 I/O，系統經過線程切換來彌補同步 I/O 調用的時間開銷。好比 Apache 就是這種策略，因爲 I/O 通常都是耗時操做，所以這種策略很難實現高性能，但很是簡單，能夠實現複雜的交互邏輯。java

而事實上，大多數網站的服務器端都不會作太多的計算，它們接收到請求之後，把請求交給其它服務來處理（好比讀取數據庫），而後等着結果返回，最後再把結果發給客戶端。所以，Node.js 針對這一事實採用了單線程模型來處理，它不會爲每一個接入請求分配一個線程，而是用一個主線程處理全部的請求，而後對 I/O 操做進行異步處理，避開了建立、銷燬線程以及在線程間切換所需的開銷和複雜性。node

事件循環

Node.js 在主線程裏維護了一個事件隊列，當接到請求後，就將該請求做爲一個事件放入這個隊列中，而後繼續接收其餘請求。當主線程空閒時(沒有請求接入時)，就開始循環事件隊列，檢查隊列中是否有要處理的事件，這時要分兩種狀況：若是是非 I/O 任務，就親自處理，並經過回調函數返回到上層調用；若是是 I/O 任務，就從 線程池 中拿出一個線程來處理這個事件，並指定回調函數，而後繼續循環隊列中的其餘事件。數據庫

當線程中的 I/O 任務完成之後，就執行指定的回調函數，並把這個完成的事件放到事件隊列的尾部，等待事件循環，當主線程再次循環到該事件時，就直接處理並返回給上層調用。這個過程就叫 事件循環 (Event Loop)，其運行原理以下圖所示：數組

這個圖是整個 Node.js 的運行原理，從左到右，從上到下，Node.js 被分爲了四層，分別是 應用層、V8引擎層、Node API層 和 LIBUV層。服務器

應用層：即 JavaScript 交互層，常見的就是 Node.js 的模塊，好比 http，fs數據結構

V8引擎層：即利用 V8 引擎來解析JavaScript 語法，進而和下層 API 交互多線程

NodeAPI層：爲上層模塊提供系統調用，通常是由 C 語言來實現，和操做系統進行交互。併發

LIBUV層：是跨平臺的底層封裝，實現了事件循環、文件操做等，是 Node.js 實現異步的核心。異步

不管是 Linux 平臺仍是 Windows 平臺，Node.js 內部都是經過 線程池 來完成異步 I/O 操做的，而 LIBUV 針對不一樣平臺的差別性實現了統一調用。所以，Node.js 的單線程僅僅是指 JavaScript 運行在單線程中，而並不是 Node.js 是單線程。

工做原理

Node.js 實現異步的核心是事件，也就是說，它把每個任務都當成事件來處理，而後經過 Event Loop 模擬了異步的效果，爲了更具體、更清晰的理解和接受這個事實，下面咱們用僞代碼來描述一下其工做原理。

【1】定義事件隊列

既然是隊列，那就是一個先進先出 (FIFO) 的數據結構，咱們用JS數組來描述，以下：

/**
 * 定義事件隊列
 * 入隊：push()
 * 出隊：shift()
 * 空隊列：length == 0
 */
globalEventQueue: []

咱們利用數組來模擬隊列結構：數組的第一個元素是隊列的頭部，數組的最後一個元素是隊列的尾部，push() 就是在隊列尾部插入一個元素，shift() 就是從隊列頭部彈出一個元素。這樣就實現了一個簡單的事件隊列。

【2】定義接收請求入口

每個請求都會被攔截並進入處理函數，以下所示：

/**
 * 接收用戶請求
 * 每個請求都會進入到該函數
 * 傳遞參數request和response
 */
processHttpRequest:function(request,response){
    
    // 定義一個事件對象
    var event = createEvent({
        params:request.params, // 傳遞請求參數
        result:null, // 存放請求結果
        callback:function(){} // 指定回調函數
    });

    // 在隊列的尾部添加該事件   
    globalEventQueue.push(event);
}

這個函數很簡單，就是把用戶的請求包裝成事件，放到隊列裏，而後繼續接收其餘請求。

【3】定義 Event Loop

當主線程處於空閒時就開始循環事件隊列，因此咱們還要定義一個函數來循環事件隊列：

/**
 * 事件循環主體，主線程擇機執行
 * 循環遍歷事件隊列
 * 處理非IO任務
 * 處理IO任務
 * 執行回調，返回給上層
 */
eventLoop:function(){
    // 若是隊列不爲空，就繼續循環
    while(this.globalEventQueue.length > 0){
        
        // 從隊列的頭部拿出一個事件
        var event = this.globalEventQueue.shift();
        
        // 若是是耗時任務
        if(isIOTask(event)){
            // 從線程池裏拿出一個線程
            var thread = getThreadFromThreadPool();
            // 交給線程處理
            thread.handleIOTask(event)
        }else {
            // 非耗時任務處理後，直接返回結果
            var result = handleEvent(event);
            // 最終經過回調函數返回給V8，再由V8返回給應用程序
            event.callback.call(null,result);
        }
    }
}

主線程不停的檢測事件隊列，對於 I/O 任務，就交給線程池來處理，非 I/O 任務就本身處理並返回。

【4】處理 I/O 任務

線程池接到任務之後，直接處理IO操做，好比讀取數據庫：

/**
 * 處理IO任務
 * 完成後將事件添加到隊列尾部
 * 釋放線程
 */
handleIOTask:function(event){
    //當前線程
    var curThread = this; 

    // 操做數據庫
    var optDatabase = function(params,callback){
        var result = readDataFromDb(params);
        callback.call(null,result)
    };
    
    // 執行IO任務
    optDatabase(event.params,function(result){
        // 返回結果存入事件對象中
        event.result = result; 

        // IO完成後，將再也不是耗時任務
        event.isIOTask = false; 
        
        // 將該事件從新添加到隊列的尾部
        this.globalEventQueue.push(event);
        
        // 釋放當前線程
        releaseThread(curThread)
    })
}

當 I/O 任務完成之後就執行回調，把請求結果存入事件中，並將該事件從新放入隊列中，等待循環，最後釋放當前線程，當主線程再次循環到該事件時，就直接處理了。

總結以上過程咱們發現，Node.js 只用了一個主線程來接收請求，但它接收請求之後並無直接作處理，而是放到了事件隊列中，而後又去接收其餘請求了，空閒的時候，再經過 Event Loop 來處理這些事件，從而實現了異步效果，固然對於IO類任務還須要依賴於系統層面的線程池來處理。

所以，咱們能夠簡單的理解爲：Node.js 自己是一個多線程平臺，而它對 JavaScript 層面的任務處理是單線程的。

CPU密集型是短板

至此，對於 Node.js 的單線程模型，咱們應該有了一個簡單而又清晰的認識，它經過事件驅動模型實現了高併發和異步 I/O，然而也有 Node.js 不擅長作的事情：

上面提到，若是是 I/O 任務，Node.js 就把任務交給線程池來異步處理，高效簡單，所以 Node.js 適合處理I/O密集型任務。但不是全部的任務都是 I/O 密集型任務，當碰到CPU密集型任務時，即只用CPU計算的操做，好比要對數據加解密(node.bcrypt.js)，數據壓縮和解壓(node-tar)，這時 Node.js 就會親自處理，一個一個的計算，前面的任務沒有執行完，後面的任務就只能乾等着。以下圖所示：

在事件隊列中，若是前面的 CPU 計算任務沒有完成，後面的任務就會被阻塞，出現響應緩慢的狀況，若是操做系統自己就是單核，那也就算了，但如今大部分服務器都是多 CPU 或多核的，而 Node.js 只有一個 EventLoop，也就是隻佔用一個 CPU 內核，當 Node.js 被CPU 密集型任務佔用，致使其餘任務被阻塞時，卻還有 CPU 內核處於閒置狀態，形成資源浪費。

所以，Node.js 並不適合 CPU 密集型任務。