Node.js學習記錄： 異步I/O

Node.js 回調函數

Node.js 異步編程的直接體現就是回調。
異步編程依託於回調來實現，但不能說使用了回調後程序就異步化了。
回調函數在完成任務後就會被調用，Node 使用了大量的回調函數，Node 全部 API 都支持回調函數。
例如，咱們能夠一邊讀取文件，一邊執行其餘命令，在文件讀取完成後，咱們將文件內容做爲回調函數的參數返回。這樣在執行代碼時就沒有阻塞或等待文件 I/O 操做。這就大大提升了 Node.js 的性能，能夠處理大量的併發請求。

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

阻塞I/O的一個特色是調用以後必定要等到系統內核層面完成全部操做後，調用才結束。以讀取 磁盤上的一段文件爲例，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。

阻塞I/O形成CPU等待I/O，浪費等待時間，CPU的處理能力不能獲得充分利用。爲了提升性能，內核提供了非阻塞I/O。

非阻塞I/O跟阻塞I/O的差異爲調用以後會當即返回

示例

阻塞代碼實例

建立一個文件 input.txt ，內容以下：

鏡心的小樹屋:http://jxdxsw.com/

建立 main.js 文件, 代碼以下：

var fs = require("fs");

var data = fs.readFileSync('input.txt');

console.log(data.toString());
console.log("程序執行結束!");

以上代碼執行結果以下：

$ node main.js
鏡心的小樹屋:http://jxdxsw.com/

程序執行結束!

非阻塞代碼實例

建立一個文件 input.txt ，內容以下：

鏡心的小樹屋:http://jxdxsw.com/

建立 main.js 文件, 代碼以下：

var fs = require("fs");

fs.readFile('input.txt', function (err, data) {
    if (err) return console.error(err);
    console.log(data.toString());
});

console.log("程序執行結束!");

以上代碼執行結果以下：

$ node main.js
    程序執行結束!
    鏡心的小樹屋:http://jxdxsw.com/

以上兩個實例咱們瞭解了阻塞與非阻塞調用的不一樣。第一個實例在文件讀取完後才執行完程序。 第二個實例咱們不須要等待文件讀取完，這樣就能夠在讀取文件時同時執行接下來的代碼，大大提升了程序的性能。
所以，阻塞是按順序執行的，而非阻塞是不須要按順序的，因此若是須要處理回調函數的參數，咱們就須要寫在回調函數內。

輪詢

非阻塞I/O返回以後，CPU的時間片能夠用來處理其餘事務，此時的性能提高是明顯的。
但非阻塞I/O也存在一些問題。因爲完整的I/O並無完成，當即返回的並非業務層指望的數據，而僅僅是當前調用的狀態。爲了獲取完整的數據，應用程序須要重複調用I/O操做來確認是否完成。
這種重複調用判斷操做是否完成的技術叫作輪詢。
具體能夠看這幾篇文章

Ajax輪詢——「定時的經過Ajax查詢服務端」

Node的異步I/O

事件循環

Node.js 是單進程單線程應用程序，可是經過事件和回調支持併發，因此性能很是高。
Node.js 的每個 API 都是異步的，並做爲一個獨立線程運行，使用異步函數調用，並處理併發。
Node.js 基本上全部的事件機制都是用設計模式中觀察者模式實現。
Node.js 單線程相似進入一個while(true)的事件循環，直到沒有事件觀察者退出，每一個異步事件都生成一個事件觀察者，若是有事件發生就調用該回調函數.

觀察者

每執行一次循環體的過程咱們稱之爲Tick，在每一個Tick過程當中，如何判斷是否有事件須要處理？這就要引入觀察者概念。

事件可能來自用戶的點擊或者加載某些文件時產生，而這些產生的事件都有對應的觀察者。在Node中，事件主要來自網絡請求、文件I/O等，這些事件對應的觀察者有文件I/O觀察者、網絡I/O觀察者等。觀察者將事件進行了分類。

事件驅動程序

Node.js 使用事件驅動模型，當web server接收到請求，就把它關閉而後進行處理，而後去服務下一個web請求。
當這個請求完成，它被放回處理隊列，當到達隊列開頭，這個結果被返回給用戶。
這個模型很是高效可擴展性很是強，由於webserver一直接受請求而不等待任何讀寫操做。（這也被稱之爲非阻塞式IO或者事件驅動IO）
在事件驅動模型中，會生成一個主循環來監聽事件，當檢測到事件時觸發回調函數。

整個事件驅動的流程就是這麼實現的，很是簡潔。有點相似於觀察者模式，事件至關於一個主題(Subject)，而全部註冊到這個事件上的處理函數至關於觀察者(Observer)。
Node.js 有多個內置的事件，咱們能夠經過引入 events 模塊，並經過實例化 EventEmitter 類來綁定和監聽事件，以下實例：

// 引入 events 模塊
var events = require('events');
// 建立 eventEmitter 對象
var eventEmitter = new events.EventEmitter();

如下程序綁定事件處理程序：

// 綁定事件及事件的處理程序
eventEmitter.on('eventName', eventHandler);

咱們能夠經過程序觸發事件：

// 觸發事件
eventEmitter.emit('eventName');

實例1：

建立 main.js 文件，代碼以下所示：

// 引入 events 模塊
var events = require('events');
// 建立 eventEmitter 對象
var eventEmitter = new events.EventEmitter();

// 建立事件處理程序
var connectHandler = function connected() {
   console.log('鏈接成功。');
  
   // 觸發 data_received 事件 
   eventEmitter.emit('data_received');
}

// 綁定 connection 事件處理程序
eventEmitter.on('connection', connectHandler);
 
// 使用匿名函數綁定 data_received 事件
eventEmitter.on('data_received', function(){
   console.log('數據接收成功。');
});

// 觸發 connection 事件 
eventEmitter.emit('connection');

console.log("程序執行完畢。");

接下來讓咱們執行以上代碼：

$ node main.js
鏈接成功。
數據接收成功。
程序執行完畢。

事件循環是典型的生產者/消費者模型。異步I/O、網絡請求等則是事件的生產者，源源不斷的爲Node提供不一樣類型的事件，這些事件被傳遞到對應的觀察者那裏，事件循環則從觀察者那裏取出事件並處理。
在windows下，這個循環基於IOCP建立，而在*nix下則基於多線程建立。

Node 應用程序是如何工做的？

在 Node 應用程序中，執行異步操做的函數將回調函數做爲最後一個參數， 回調函數接收錯誤對象做爲第一個參數。
接下來讓咱們來從新看下前面的實例，建立一個 input.txt ,文件內容以下：

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建立 main.js 文件，代碼以下：

fs.readFile('input.txt', function (err, data) {
   if (err){
      console.log(err.stack);
      return;
   }
   console.log(data.toString());
});
console.log("程序執行完畢");

以上程序中 fs.readFile() 是異步函數用於讀取文件。 若是在讀取文件過程當中發生錯誤，錯誤 err 對象就會輸出錯誤信息。
若是沒發生錯誤，readFile 跳過 err 對象的輸出，文件內容就經過回調函數輸出。
執行以上代碼，執行結果以下：

程序執行完畢
鏡心的小樹屋:http://jxdxsw.com/

接下來咱們刪除 input.txt 文件，執行結果以下所示：

程序執行完畢
Error: ENOENT, open 'input.txt'

由於文件 input.txt 不存在，因此輸出了錯誤信息。

非I/O的異步API

Node中還存在一些與I/O無關的異步API：

• setTimeout()

• setInterval()

• setImmediate()

• process.nextTick()

setTimeout()和setInterval() 與瀏覽器中API是一致的，分別用於單次和屢次定時執行任務，它們的實現原理和異步I/O比較相似，只是不須要I/O線程池的參與。

參考

Web 通訊 之 長鏈接、長輪詢（long polling）
實現輪詢的方式《深刻淺出nodejs》