Nodejs io マルチスレッドの内部実装

Node.js IO 内部実装とマルチスレッド

Node.js は、Chrome V8 エンジンに基づく JavaScript ランタイム環境であり、イベント駆動型のノンブロッキング I/O モデルを採用しており、効率的な I/O./O およびイベント駆動型のサーバー側アプリケーション開発環境を提供します。 Node.js では I/O が核心部分であり、イベント ループ機構によるノンブロッキング I/O が実装されていますが、Node.js がシングルスレッドであることは多くの人が知っています。 ?毛織物?この記事では、Node.js IO の内部実装の観点からこの問題を考察し、そのマルチスレッド モデルを検討します。

Node.js I/O モデル

Node.js の I/O モデルでは、I/O リクエスト (ファイルの読み取りなど) が開始されると、Node.js はリクエストをイベント ループ キューに入れ、すぐに戻って後続のコードの実行を続けます。 I/O リクエストが完了すると、Node.js はコールバック関数をイベント ループ キューに入れ、次回イベント ループが実行されるときに呼び出されるのを待ちます。このノンブロッキング I/O モードにより、Node.js は多数の同時リクエストを処理できるようになり、効率的なシステム パフォーマンスが保証されます。

Node.js の I/O モデル実装は、主にイベント ループと非同期 I/O という 2 つの主要なテクノロジに基づいています。

イベント ループ

Node.js では、イベント ループは中心的な概念であり、非同期 I/O イベントやその他のイベントの管理を担当するポーリング メカニズムです。 Node.js のイベント ループ メカニズムはいくつかのステージに分割されており、各ステージには指定されたコールバック関数キューがあります。イベント ループの各ステージには、コールバック関数の特別なキューがあります。イベントループが特定のステージに入ると、そのステージのコールバック関数キューを実行し、実行後はイベントループが終了するか、処理するイベントがなくなるまで次のステージに進みます。

非同期 I/O

非同期 I/O は Node.js のもう 1 つの中心的な概念であり、これにより Node.js は単一スレッドで高負荷の I/O 操作をサポートできるようになります。 Node.js では、非同期 I/O はコールバック関数によって実装されており、I/O リクエストが完了すると、Node.js はリクエストをブロックして完了を待つのではなく、ただちにコールバック関数を実行します。これにより、Node.js は I/O 操作が完了するまで待機しながら後続のコードの実行を継続できるため、システムのスループットと応答速度が向上します。

Node.js での IO の内部実装

Node.js の I/O モデルはどのように実装されますか?具体的には、Node.js の I/O モデルは、libuv、v8、および Node.js 自体の 3 つの主要モジュールで構成されます。このうち、libuv は、イベント ループ、ファイル システム操作、ネットワーク操作などの基本機能を提供し、マルチスレッドをサポートするクロスプラットフォームの C 高性能ライブラリです。 libuv は、実際には、Node.js が非同期 I/O を処理する方法の鍵の 1 つです。 v8 は、Google が開発した高性能 JavaScript エンジンで、JavaScript コードのコンパイルと実行に使用されます。 Node.js 自体はいくつかの高度な I/O API を提供しており、開発者はアプリケーションを簡単に開発できます。

Node.js の I/O モデルでは、libuv が重要な役割を果たします。これは、イベント ループ メカニズム、非同期タスク スケジューリング、タイマー、I/O 操作などの基本機能を提供するクロスプラットフォームの C 言語ライブラリです。 Node.js エンジンでは、libuv がイベント ループのスケジューリングと I/O リクエストの処理を担当します。イベント ループ中に、libuv はイベント キューを走査し、すべてのコールバック関数を非同期的に実行して、I/O リクエストやその他のイベントを処理します。

libuv はどのようにマルチスレッドを実装するのでしょうか?実際、libuv は完全なシングルスレッド モデルではありません。 libuv は、イベント ループの各ステージでコールバック関数を実行するスレッドを選択するスレッド プール テクノロジを使用します。これにより、CPU リソースが最大限に活用され、システムのスループットと応答性が向上します。スレッド プールが使い果たされると、libuv は新しいスレッドを開始して新しい I/O リクエストを処理します。

libuv は、スレッド間のアクセスを同期するために従来のマルチスレッド モデルのロックやアトミック変数などのメカニズムを使用せず、代わりに共有メモリとメッセージ メカニズムを使用して、スレッド間のデータ転送と同期を実現します。具体的には、libuv は共有タスクキューを保持しており、各スレッドはこのキューから実行すべきタスクを継続的に取得し、コールバック関数を実行して処理結果をコールバックキューに通知し、最終的に次のイベントループのディスパッチを待ちます。タスク キューでは、マルチスレッドの実行中に競合が発生しないように、各タスクがスレッドから独立している必要があります。

マルチスレッド モデル

Node.js は、I/O リクエストとコールバック関数のマルチスレッド実行をサポートする libuv スレッド プール モデルを採用しています。イベント ループでは、libuv は各 I/O リクエストに対してアイドル状態のスレッドを選択し、そのスレッドにタスクを割り当てて実行します。スレッドの数は構成可能で、CPU コアの数やシステム上の利用可能なメモリなどの要因によって異なります。スレッド プール内のスレッドが使い果たされると、新しい I/O リクエストはキューに配置され、新しいスレッドが処理されるのを待ちます。

Node.js のマルチスレッド モデルを実装するときは、いくつかの詳細に注意する必要があります。たとえば、イベント ループで、I/O リクエストのコールバック関数が時間のかかる操作を実行する必要がある場合、スレッドのブロックを回避する必要があります。これにより、イベント ループ全体がブロックされます。効果的な方法は、現在のスレッドの実行に影響を与えずに、時間のかかる操作を新しいスレッドで実行することです。さらに、スレッド間でメモリを共有する場合は、データ競合などの問題を避けるために、スレッドの同期の問題に注意する必要があります。

概要

Node.js は、効率的な I/O 操作を実現するためにノンブロッキング I/O モデルを採用しており、外部パフォーマンスはシングルスレッドですが、内部実装はマルチスレッドをサポートしています。 Node.js の I/O 実装は、主に libuv、v8、Node.js 自体の 3 つのモジュールに基づいています。 Node.js のコア モジュールの 1 つである libuv は、イベント ループ、非同期タスク スケジューリング、タイマー、I/O 操作などの基本機能を実装し、マルチスレッドをサポートします。スレッド プール モデルでは、libuv はスレッド間の実行を調整するための完全なスレッド プール メカニズムを実装し、マルチスレッドの非同期 I/O イベント処理をサポートし、システムの応答性とスループットを向上させます。

Node.js の I/O 実装は、その効率的なパフォーマンスへの鍵の 1 つであり、開発者に効率的な I/O 呼び出しインターフェイスを提供し、開発者が効率的なサーバーサイド アプリを簡単に実装できるようにします。同時に、Node.js の I/O 実装は、開発者がアプリケーションを開発しやすくするためのいくつかの API も提供します。したがって、Node.js の I/O 実装原則を深く理解することは、効率的なサーバー側アプリケーションを実装するのに非常に役立ちます。

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