Node.js高性能的异步I/O

发表于

Node的单线程异步非阻塞I/O模型


Node.js® is a JavaScript runtime built on Chrome’s V8 JavaScript engine. Node.js uses an event-driven, non-blocking I/O model that makes it lightweight and efficient.

说异步之前先了解几个名词

  • I/O的阻塞与非阻塞：阻塞模式的I/O会造成应用程序等待，直到I/O完成。同时操作系统也支持将I/O操作设置为非阻塞模式，这时应用程序的调用将可能在没有拿到真正数据时就立即返回了，为此应用程序需要多次调用才能确认I/O操作完全完成，这就是一个轮训的过程。

  • I/O的同步与异步：I/O的同步与异步出现在应用程序中。如果做阻塞I/O调用，应用程序等待调用的完成的过程就是一种同步状况。相反，I/O为非阻塞模式时，应用程序则是异步的。

  • 事件驱动：当事件被检测到发生时才回调调用会到函数，通过事件循环加事件触发的方式来运行程序。

  • 事件循环：当有大量异步操作时需要调用相应的回调函数，需要用一种机制来管理同一个队列。

Node的单线程异步非阻塞I/O模型利用单线程，远离多线程的死锁、状态同步等问题避免不必要的内存开销和上下文切换开销。 利用异步I/O，让单线程远离阻塞，更好的利CPU。

一个异步 I/O 的大致流程如下：

  • 发起 I/O 调用

    • 用户通过 Javascript 代码调用 Node 核心模块，将参数和回调函数传入到核心模块；
    • Node 核心模块会将传入的参数和回调函数封装成一个请求对象；
    • 将这个请求对象推入到 I/O 线程池等待执行；
    • Javascript 发起的异步调用结束，Javascript 线程继续执行后续操作。

  • 执行回调

    • I/O 操作完成后，会将结果储存到请求对象的 result 属性上，并发出操作完成的通知；
    • 每次事件循环时会检查是否有完成的 I/O 操作，如果有就将请求对象加入到 I/O 观察者队列中，之后当做事件处理；
    • 处理 I/O 观察者事件时，会取出之前封装在请求对象中的回调函数，执行这个回调函数，并将 result 当参数，以完成 Javascript 回调的目的。

这里面涉及到了一个设计理念:事件循环（Event Loop），它是一个类似于 while true 的无限循环,它会维护一系列的监视器,这些监视器都有对应着一种异步操作，它们注册事件监听以及相应的回调。事件循环除了维护那些观察者队列，还维护了一个 time 字段，在初始化时会被赋值为0，每次循环都会更新这个值。所有与时间相关的操作，都会和这个值进行比较，来决定是否执行。与 timer 相关的过程如下：

  • 更新当前循环的 time 字段，即当前循环下的“现在”；
  • 检查循环中是否还有需要处理的任务（handlers/requests），如果没有就不必循环了，即是否 alive。
  • 检查注册过的 timer，如果某一个 timer 中指定的时间落后于当前时间了，说明该 timer 已到期，于是执行其对应的回调函数；
  • 执行一次 I/O polling（即阻塞住线程，等待 I/O 事件发生），如果在下一个 timer 到期时还没有任何 I/O 完成，则停止等待，执行下一个 timer 的回调。如果发生了 I/O 事件，则执行对应的回调；由于执行回调的时间里可能又有 timer 到期了，这里要再次检查 timer 并执行回调。

Node.js它的单线程指的是自身 Javascript 运行环境的单线程，Node.js 并没有给 Javascript 执行时创建新线程的能力，最终的实际操作是通过事件循环来执行的。