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  • Node.js 与底层之间是如何执行异步I/O调用的?和事件循环怎么联系上的呢? 为什么说 Node 高性能,Node异步I/O 对高性能助力了什么? Node 的事件循环,你对事件怎么理解? ★ 看完本文后,你应该能...

    本文你能学到:

    • Node.js 与底层之间是如何执行异步I/O调用的?和事件循环怎么联系上的呢?

    • 为什么说 Node 高性能,Node 的异步I/O 对高性能助力了什么?

    • Node 的事件循环,你对事件怎么理解?

    看完本文后,你应该能更好的去理解事件循环,知道事件是怎么来的,Node 究竟执行异步I/O调用。如果面试官再问事件循环还有Node与底层之间如何执行异步I/O,我觉得你把本文的流程说清楚,应该能加分!本文对事件循环中的具体步骤没有详细讲解,每个步骤看官方文档更佳。

    理解本文先要学习的几个概念

    Node.js 模块分类

    nodejs模块可以分为下面三类:

    • 核心模块(native模块):包含在 Node.js 源码中,被编译进 Node.js 可执行二进制文件 JavaScript 模块,其实也就是lib和deps目录下的js文件,比如常用的http,fs等等。

    • 内建模块(built-in模块):一般我们不直接调用,而是在 native 模块中调用,然后我们再require。

    • 第三方模块:非 Node.js 源码自带的模块都可以统称第三方模块,比如 express,webpack 等等。

      • JavaScript 模块,这是最常见的,我们开发的时候一般都写的是 JavaScript 模块

      • JSON 模块,这个很简单,就是一个 JSON 文件

      • C/C++ 扩展模块,使用 C/C++ 编写,编译之后后缀名为 .node

    比如 Node 源码lib目录下的 fs.js 就是 native 模块,而fs.js调用的 src 目录下的 node_fs.cc 就是内建模块。

    libuv

    Libuv是一个高性能的,事件驱动的异步I/O库,它本身是由C语言编写的,具有很高的可移植性。libuv封装了不同平台底层对于异步IO模型的实现,libuv 的 API 包含有时间,非阻塞的网络,异步文件操作,子进程等等,所以它还本身具备着Windows, Linux都可使用的跨平台能力。

    经典libuv图(来源网上)

    IOCP

    概念:输入输出完成端口(Input/Output Completion Port,IOCP), 是支持多个同时发生的异步I/O操作的应用程序编程接口,在Windows NT的3.5版本以后,或AIX5版以后或Solaris第十版以后,开始支持。

    我直接这么说概念你可能也不太懂。可以暂时知道 Windows 下注意通过 IOCP 来向系统内核发送 I/O 调用和从内核获取已完成的 I/O 操作,配以事件循环,完成异步I/O的过程。在 linux 下通过 epoll 实现这个过程,也就是由 libuv 自行实现。

    IOCP 的另一个应用场景在之前Node.js进程与线程那篇文章也有写过。Mater 和 app worker 进程通信使用到。

    线程池

    线程池,是一种线程的使用模式,它为了降低线程使用中频繁的创建和销毁所带来的资源消耗与代价。通过创建一定数量的线程,让他们时刻准备就绪等待新任务的到达,而任务执行结束之后再重新回来继续待命。

    这就是线程池最核心的设计思路,「复用线程,平摊线程的创建与销毁的开销代价」。

    本文使用到线程池的地方:在 Node 中,无论是 *nix 还是 Window 平台。内部完成 I/O 任务的都有用到线程池。

    libuv 目前使用了一个全局的线程池,所有的循环都可以往其中加入任务。目前有三种操作会在这个线程池中执行:

    • 文件系统操作

    • DNS 函数(getaddrinfo 和 getnameinfo)

    • 通过 uv_queue_work() 添加的用户代码

    Node 与底层之间的异步I/O调用流程

    对比图中两段经典api代码(server.listenfs.open,选择两种api的原因:网络 I/O 代表和文件 I/O 代表)和之前 libuv 图片,我们来一起理解异步I/O调用流程

    上图展示了libuv细节的流程,图中代码很简单,包括2个部分:

    1. server.listen() 是用来创建 TCP server 时,通常放在最后一步执行的代码。主要指定服务器工作的端口以及回调函数。

    2. fs.open() 是用异步的方式打开一个文件。

    选择两个示例很简单,因为 libuv 架构图可视:libuv 对 Network I/O和 File I/O 采用不同的机制。

    上图右半部分,主要分成两个部分:

    1. 主线程:主线程也是 node 启动时执行的现成。node 启动时,会完成一系列的初始化动作,启动 V8 engine,进入下一个循环。

    2. 线程池:线程池的数量可以通过环境变量 UV_THREADPOOL_SIZE 配置,最大不超过 128 个,默认为 4 个。

    在Node.js 中经典的代码调用方式:都是从 JavaScript 调用 Node 核心模块,核心模块调用 C++ 内建模块,内建模块通过 libuv 进行系统调用。请记住这段话

    事件循环

    不管是server.listen还是fs.open,他们在开启一个 node 服务(进程)的时候,Node会创建一个while(true)的循环,这个循环就是事件循环。每执行一次循环体的过程,我们称之为Tick。每个Tick的过程就是查看是否有事件待处理,如果有,就取出事件及其相关的回调函数。如果存在关联的回调函数,就执行。然后进入下一个循环,如果不再有事件处理,退出进程。

    这里我们知道事件循环已经创建了,上面加粗字体查看是否有事件待处理,去哪里查看?事件怎么进入事件循环的?什么情况会产生事件继续往下看

    底层调用与事件产生

    继续看这张图,讲解一下事件产生基本流程,(注意网络I/O和文件I/O会有一些不同)这里对c++代码调用简单提一下,有兴趣的小伙伴可以继续深入研究。

    File I/O

    (这里就用到了文初提到的模块分类知识)先是 javascript 代码,然后调用 lib/fs.js 核心模块代码 fs.open ,核心模块调用 C++ 内建模块 src/node_file.cc,内建模块c++代码会有一个平台判断,然后通过 libuv 进行系统调用。

    从前面到达 libuv ,会有一个参数,请求对象,也就是open函数前面整个流程传递进来的请求对象,它保存了所有状态,包括送入线程池等待执行以及I/O操作完毕后的回调处理。

    请求对象组装完成后,送入 libuv 中创建的 I/O 线程池,线程池中的 I/O 操作完毕后,会将获取的结果存储到 req->result 属性上,然后通知某函数通知IOCP ,告知当前对象操作已经完成。

    在这整个过程中,进程初期创建的事件循环中有一个 I/O 观察者,每次 Tick 的执行中,它会调用 IOCP 相关的方法检查线程池中是否有执行完成的请求,如果存在,会讲请求对象和之前绑定的 result 属性,加入到 I/O 观察者的队列中,然后将其当作事件处理。

    看到这里,前面提到的**是否有事件待处理,去哪里查看?事件怎么进入事件循环的?**这两个问题是不是搞懂了。

    文字配上图。更清晰!

    Network I/O

    V8 engine 执行从 server.listen() 开始,调用 builtin module Tcp_wrap 的过程。

    在创建TCP链接的过程中,libuv直接参与Tcp_wrap.cc函数中的 TCPWrap::listen() 调用uv_listen()开始到执行uv_io_start()结束。看起来很短暂的过程,其实是类似linux kernel的中断处理机制。

    uv_io_start()负载将 handle 插入到处理的water queue中。这样的好处是请求能够立即得到处理。中断处理机制里面的下半部分与数据处理操作相似,交由主线程去完成处理。

    重要:虽然 libuv 的异步文件 I/O 操作是通过线程池实现的,但是网络 I/O 总是在单线程中执行的,注意最后还是会把完成的内容作为事件加入事件循环,事件循环就和文件I/O相同了。

    异步 I/O 助力 Node.js 高性能

    传统的服务器模型

    • 同步式: 同步的服务,一次只能处理一个请求,并且其余请求都处于等待状态。

    • 每进程/每请求: 为每个请求启动一个进程,这样可以处理多个请求,但是不具有扩展性,系统资源有限,开启太多进程不太合适

    • 每线程/每请求: 为每个请求启动一个线程来处理。尽管线程比进程轻量,但是每个线程也都会占用一定内存,当大并发请求的时候,也会占用很大内存,导致服务器缓慢。

    Node就不一样了!

    看了文章前面的内容,Node 通过事件驱动的方式处理请求,无需为每个请求创建额外的对应线程,可以省掉创建线程和销毁线程的开销,同时操作系统在调度任务时因为线程较少,上下文切换的代价很低。这也是 Node.js 高性能之一

    Nginx 目前也采用了和 Node 相同的事件驱动方式,有兴趣的也去了解下,不过 Nginx 采用 c 语言编写。

    参考

    本文很多内容来自朴灵老师的 《深入浅出 Node.js》,这本书虽然出版很久了,给我的感觉还是越看越香,自己可以边看边扩展学习,推荐。

    Libuv学习——文件处理https://zhuanlan.zhihu.com/p/97789391

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  • Node——异步I/O机制

    2016-10-24 14:54:00
    提到JS,可能就免不了单线程,事件机制,非阻塞I/O,异步I/O等等...这一节从异步i/o机制来看看Node自身的特点。以下是流程图: 先来简单叙述一下Apache服务器的工作方式,它会为每一个请求开启一个线程,每一个线...

    提到JS,可能就免不了单线程,事件机制,非阻塞I/O,异步I/O等等,这些词语。不能说理解的有多么深刻,想谈谈自己的一些看法。Node底层采用chrome V8 Javascript搜索引擎,其解析的速度快,性能稳定,提供了一个良好的解析环境。这一节从异步i/o机制来看看Node自身的特点。以下是流程图:
    1033547-20161024142445312-1158882915.png

    先来简单叙述一下Apache服务器的工作方式,它会为每一个请求开启一个线程,每一个线程会消耗一定的内存,所以在内存有限的情况下,请求数量也会有限制。但是Node采用异步机制,事件驱动的方式实现了高并发请求。如上图所示,在主线程里是单线程的,只需要将包装好的请求放进线程池中,不必等待数据完成即可继续执行后面的代码,不会阻塞主线程。线程池是多进程的,请求来到后,当线程可用便操作相应的I/O,将完成结果放入请求对象中并通知观察者事件已经完成。这时候,事件会一个一个排好队等待被执行。事件循环在进程启动后已经开始,它通过询问观察者是否有事件执行从而调用相应的回调函数。整个流程是如此,这样虽然代码是单线程的,但是整个过程其实是多线程在支持。这样的话,即使是多个请求到来,内部机制也能有条不紊的进行。

    转载于:https://www.cnblogs.com/susantong/p/5992988.html

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  • Node.js异步机制和基本原理

    千次阅读 2017-02-19 21:39:23
    一、Node.js优缺点 node.js是单线程。 好处就是 1)简单 2)高性能,避免了频繁的线程切换...3)占用资源小,因为是单线程,在大负荷情况下,对内存占用仍然很低 ...node.js ...node使用异步IO和事件驱动(回

    一、Node.js优缺点

    node.js是单线程。

    好处就是

    1)简单

    2)高性能,避免了频繁的线程切换开销

    3)占用资源小,因为是单线程,在大负荷情况下,对内存占用仍然很低

    3)线程安全,没有加锁、解锁、死锁这些问题

    php


    node.js


    坏处就是

    如何解决高并发?

    node使用异步IO和事件驱动(回调函数)来解决这个问题。

    一般来说,高并发解决方案会提供多线程模型,为每个业务逻辑提供一个线程,通过系统线程切换来来弥补同步I/O调用的时间开销。像apache,是一个请求一个线程。

    而node.js使用的是单线程模型,对所有I/O都采用异步的请求方式,避免频繁的上下文切换,在node.js执行的时候维护着一个事件队列;程序在执行时进入事件循环等待下一个事件到来,每个异步I/O请求完成后都会被推送到事件队列中的等待执行。

    比如说:

    对于一个简单的数据库访问操作,传统方式是这样实现的

    [javascript]  view plain  copy
      在CODE上查看代码片 派生到我的代码片
    1. res = db.query('SELECT * from some_table');  
    2. res.output();  
    代码执行到第一行的时候线程会阻塞,等待query返回结果,然后继续处理。由于数据库查询、磁盘读写、网络通信等原因(所谓的I/O)阻塞时间会非常大(相对于CPU始终频率)。对于高并发的访问,一方面线程长期阻塞等待,另一方面为了应付新情求而不断添加新线程,会浪费大量系统资源,同时线程的增加也会也会占用大量的CPU时间来处理内存上下文切换。看看node.js怎么处理

    [javascript]  view plain copy
    1. db.query('SELECT * from some_table'function(res) {   
    2.    res.output();  
    3. });  

    query的第二个参数是一个回调函数,进程执行到db.query的时候不会等待结果返回,而是直接继续执行下面的语句,直到进入事件循环。当数据库执行结果返回的时候会将事件发送到事件队列,等到线程进入事件循环后才会调用之前的回调函数。

    node.js的异步机制是基于事件的,所有的I/O、网络通信、数据库查询都以非阻塞的方式执行,返回结果由事件循环来处理。node.js在同一时刻只会处理一个事件,完成后立即进入事件循环检查后面事件。这样CPU和内存在同一时间集中处理一件事,同时尽量让耗时的I/O等操作并行执行。


    事件循环机制

    所谓事件循环是指node.js会把所有的异步操作使用事件机制解决,有个线程在不断地循环检测事件队列。

    node.js中所有的逻辑都是事件的回调函数,所以node.js始终在事件循环中,程序入口就是事件循环第一个事件的回调函数。事件的回调函数中可能会发出I/O请求或直接发射( emit)事件,执行完毕后返回事件循环。事件循环会检查事件队列中有没有未处理的事件,直到程序结束。node.js的事件循环对开发者不可见,由libev库实现,libev不断检查是否有活动的、可供检测的事件监听器,直到检查不到时才退出事件循环,程序结束。

    如图所示


     libuv 是一个高性能事件驱动的程序库,封装了 Windows 和 Unix 平台一些底层特性,为开发者提供了统一的 API.
    因此,node.js 是单线程,异步非阻塞。

    但毕竟,如何弥补单线程缺陷?是不是有异步非阻塞,就可以高枕无忧了?

    不是的。

    1)CPU密集型任务存在短板

    如上所述,nodejs的机制是单线程,这个线程里面,有一个事件循环机制,处理所有的请求。如图所示。在事件处理过程中,它会智能地将一些涉及到IO、网络通信等耗时比较长的操作,交由worker threads去执行,执行完了再回调,这就是所谓的异步IO非阻塞吧。但是,那些非IO操作,只用CPU计算的操作,它就自己扛了,比如算什么斐波那契数列之类。它是单线程,这些自己扛的任务要一个接着一个地完成,前面那个没完成,后面的只能干等。因此,对CPU要求比较高的CPU密集型任务多的话,就有可能会造成号称高性能,适合高并发的node.js服务器反应缓慢。



    2)无法利用CPU的多核

    最开始,线程只是用于分配单个处理器处理时间的一种机制。但假如操作系统本身支持多个CPU/内核,那么每个线程都可以得到一个不同自己的CPU/内核,实现真正的“并行运算”。在这种情况下,多线程程序可以提高资源使用效率。Node.js是单线程程序,它只有一个event loop,也只占用一个CPU/内核。现在大部分服务器都是多CPU或多核的,当Node.js程序的event loop被CPU密集型的任务占用,导致有其它任务被阻塞时,却还有CPU/内核处于闲置的状态,造成资源的浪费。


    解决方案

    利用原生模块或第三方模块,开辟进程或子进程,用于处理这些特殊的任务。

    3)如果有异常抛出,因为是单线程,整个项目将不可用。 但这归根到底是代码的问题,糟糕的代码,不管什么体系,都会有问题,即使不崩溃。解决办法是用pm2等工具来运行?

    二、nodejs与JavaScript的关系

    nodejs本身不是开发语言,它是一个工具或者平台,在服务器端解释、运行javascript;coffeescript属于nodejs体系,算是一种新的开发语言,但它的目的在于最后编译成javascript。

    nodejs利用Google V8来解释运行javascript,但是系统真正执行的代码是用C++写的。javascript做的只是调用这些API而已。因此,并无执行效率的问题。



    三、nodejs适用场景


    1、RESTful API

    这是适合 Node 的理想情况,因为您可以构建它来处理数万条连接。它仍然不需要大量逻辑;它本质上只是从某个数据库中查找一些值并将它们组成一个响应。由于响应是少量文本,入站请求也是少量的文本,因此流量不高,一台机器甚至也可以处理最繁忙的公司的 API 需求。

    2、实时程序

    比如聊天服务

    聊天应用程序是最能体现 Node.js 优点的例子:轻量级、高流量并且能良好的应对跨平台设备上运行密集型数据(虽然计算能力低)。同时,聊天也是一个非常值得学习的用例,因为它很简单,并且涵盖了目前为止一个典型的 Node.js 会用到的大部分解决方案。

    3、单页APP

    ajax很多。现在单页的机制似乎很流行,比如phonegap做出来的APP,一个页面包打天下的例子比比皆是。


    。。。


    总而言之,NodeJS适合运用在高并发、I/O密集、少量业务逻辑的场景



    参考文章

    关于node.js的误会

    Node.js的线程和进程

    http://www.slideshare.net/mysqlops/nodejs-9313477

    Node.js软肋之CPU密集型任务

    http://www.ruanyifeng.com/blog/2014/10/event-loop.html

    http://segmentfault.com/a/1190000000375619

    http://www.cnblogs.com/sysuys/p/3460614.html

    展开全文
  • node.js 事件循环 异步IO 和 非IO异步

    千次阅读 2017-01-18 12:52:24
    前些天略研究了一下node.js的异步原理,才对node 的处理异步机制有些了解,于是想着写篇博文,一是可以帮助正在学习的猿们,二是也可以巩固自己,如果本文有什么错误的地方,还请各位指出,我会加以改正。...

    前些天略研究了一下node.js的异步原理,才对node 的处理异步机制有些了解,于是想着写篇博文,一是可以帮助正在学习的猿们,二是也可以巩固自己,如果本文有什么错误的地方,还请各位指出,我会加以改正。

    windows 的IOCP

    首先我得先简单的说一下windows下处理高并发的异步模型,它是一种通信模型,用来解决服务器高并发的一种技术,它就是IOCP(I/O Completion Port)IO完成端口。

    node异步IO

    在node的底层libuv库里实现了IOCP这个异步模型,当我们在windows下运行Node 的程序,对于异步的请求处理,内部会用线程池来实现,这个线程池会被windows 管理,而这种实现方式就是IOCP的实现方式。

    说到异步IO我们得先看一下是事件循环,它是整个异步实现的核心,它不断的从观察者把事件取出,分离回调来执行。
    这里写图片描述

    整个绿色的区域就是一个事件循环,它的作用就在于:
    ①取出事件
    ②执行相关联的回调

    如果我们要执行一次异步IO,那它的整个流程是怎样的呢,比如我要执行一次读取文件的操作,这里我用promise来实现。

    const fs = require("fs");
    let readFile = path => {
        return new Promise((resolve,reject) => {
            fs.readFile(path,"utf-8",(err,data) => {
                if(err){
                    reject(err);
                }
                else{
                    resolve(data);
                }
            });
        });
    };
    
    readFile("./data.txt")
    .then(data => {
        console.log(data);
    })
    .catch(err => {
        console.log("err");
    });

    那么它大概经历了以下的几个流程
    这里写图片描述

    可以看出,node的异步请求处理实际上是由线程池来支持的,因此实际上的处理过程还是在工作线程,只是这个线程不对用户开放,而是由系统来接手管理。

    非IO异步

    现在来看一下非IO异步操作,比如说setTimeout(),setInterval(),setImmdiate()和process.nextTick(),前面文章我已经说过nextTick比setTimeout要快的多,那么为什么呢?

    我们可以先来验证这个结论

    process.nextTick(() => {
        console.log("nextTick done");
    });
    
    setTimeout(() => {
        console.log("setTimeout done");
    },0);

    输出:

    nextTick done
    setTimeout done

    如果我们将两个执行顺序对调一下,我们会发现结果还是一样的。

    setTimeout(() => {
        console.log("setTimeout done");
    },0);
    
    process.nextTick(() => {
        console.log("nextTick done");
    });
    

    输出:

    nextTick done
    setTimeout done

    但是为什么nextTick 的速度要比setTimeout快的多呢。
    这是因为setTimeout或者setInterval创建的定时器会被插入到观察者内部的一个红黑树中,但是setTimeout 或 setInterval的定时器都是不精确的,假如我们延迟了10s,但在9s的时候突然被一个延时操作占用了8秒,那么这次延时就不只10s了。

    有些时候我们仅仅是想让一个函数异步执行,而不是想让它延迟多少秒后执行,这时候我们可以用process.nextTick(),因为相对于setTimeout来说,process.nextTick()更加轻量,不用花费去创建一个红黑树那么大的开销,它的内部是由一个队列直接来支持的,因此比setTimeout要快很多。

    下面我们看一下setImmediate() 这个函数也是让传入的回调函数延迟执行,和process.nextTick()函数的作用相同,但是它们还是有实际的差异的,比如我们运行下面的代码:

    setImmediate(() => {
        console.log("setImmediate done");
    });
    process.nextTick(() => {
        console.log("nextTick done");
    });

    输出 :

    nextTick done
    setImmediate done

    在调换书写顺序时,结果还是一样的

    process.nextTick(() => {
        console.log("nextTick done");
    });
    setImmediate(() => {
        console.log("setImmediate done");
    });

    输出 :

    nextTick done
    setImmediate done

    从这里可以看出process.nextTick也要比setImmediate快,这是因为process.nextTick 属于 idle 观察者,而setImmediate属于 check观察者,从优先级来看,idle 观察者要 > check观察者 > IO观察者

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    2021-05-26 02:58:48
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  • 在Ajax大规模应用之后,异步请求更得到广泛的认同,而Ajax亦是基于事件机制Node.js能够在众多的后端Javascript技术中脱颖而出,正是因其基于事件的特点而受到欢迎。比如与Rhino来做比较,文件读取等操作,均是...

空空如也

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node异步底层机制