Analisis ringkas tentang prinsip konkurensi tinggi dalam Node

Mari kita lihat beberapa penyataan biasa

• nodejs ialah model I/O tanpa sekatan benang tunggal
• nodejs ialah sesuai untuk konkurensi tinggi
• nodejs sesuai untuk aplikasi intensif I/O, bukan aplikasi intensif CPU [Cadangan tutorial berkaitan: tutorial video nodejs]

Dalam analisis khusus beberapa ini Sebelum berkata ya dan mengapa, mari kita lakukan beberapa kerja persediaan dahulu

Mari kita mulakan dari awal

Aplikasi web yang biasa akan melakukan

• Operasi (laksanakan logik perniagaan, operasi matematik, panggilan fungsi, dll. Kerja utama dilakukan pada CPU)
• I/O (seperti membaca dan menulis fail, membaca dan menulis pangkalan data, membaca dan menulis rangkaian Permintaan, dsb. Terutamanya berfungsi pada pelbagai peranti I/O, seperti cakera, kad rangkaian, dsb.)

Sebuah tipikal pelaksanaan aplikasi web tradisional

• Berbilang proses, satu permintaan menyebabkan proses (kanak-kanak) menyekat I/O (iaitu menyekat I/O atau BIO)
• Berbilang benang , satu permintaan mencipta benang menyekat I/O

---

Kod pseudo contoh aplikasi web berbilang proses

listenFd = new Socket(); // 创建监听socket
Bind(listenFd, 80); // 绑定端口
Listen(listenFd);   // 开始监听

for ( ; ; ) {
    // 接收客户端请求，通过新的socket建立连接
    connFd = Accept(listenFd);
    // fork子进程
    if ((pid = Fork()) === 0) {
        // 子进程中
        // BIO读取网络请求数据，阻塞，发生进程调度
        request = connFd.read();
        // BIO读取本地文件，阻塞，发生进程调度
        content = ReadFile('test.txt');
        // 将文件内容写入响应
        Response.write(content);
    }
}

Aplikasi berbilang benang sebenarnya serupa dengan berbilang proses , kecuali satu permintaan diperuntukkan kepada satu proses dan bukannya satu permintaan kepada satu urutan. Benang lebih ringan daripada proses dan menduduki sumber sistem yang lebih sedikit (ps: apa yang dipanggil pensuisan konteks, sedikit penjelasan: CPU teras tunggal hanya boleh melaksanakan tugas dalam satu proses atau utas pada masa yang sama, tetapi demi kepentingannya. Paralelisme makro di Internet memerlukan bertukar-tukar antara pelbagai proses atau utas mengikut kepingan masa untuk memastikan setiap proses dan utas mempunyai peluang untuk dilaksanakan.) Overhed juga lebih kecil pada masa yang sama, lebih mudah untuk berkongsi memori antara benang, yang memudahkan pembangunan

Dua titik teras aplikasi web disebutkan di atas, satu ialah model proses dan satu lagi ialah model I/O. Jadi apa sebenarnya yang menyekat I/O? Apakah model I/O lain yang ada? Jangan risau, mula-mula mari kita lihat apa yang menyekat

Apakah yang menyekat? Apakah yang menyekat I/O?

Ringkasnya, menyekat bermakna sebelum panggilan fungsi kembali, utas semasa (benang) akan digantung dan memasuki keadaan menunggu Dalam keadaan ini, utas semasa (benang) akan berhenti seketika. menyebabkan penjadualan proses masuk (benang) CPU. Fungsi ini hanya akan kembali kepada pemanggil selepas semua kerja dalaman selesai

Jadi menyekat I/O bermakna selepas aplikasi memanggil operasi I/O melalui API, utas semasa (benang) akan memasuki masa menunggu state , kod tidak boleh terus dilaksanakan Pada masa ini, CPU boleh melakukan penjadualan benang (benang), iaitu, bertukar kepada utas boleh laku lain untuk meneruskan pelaksanaan Selepas utas semasa (benang) selesai memproses I/O yang mendasari permintaan Kemudian ia akan kembali dan boleh terus melaksanakan

Apakah masalah dengan model I/O yang menyekat berbilang benang (benang)?

Setelah memahami maksud menyekat dan menyekat I/O, mari analisa kelemahan model I/O penyekat berbilang benang (benang) bagi aplikasi web tradisional.

Oleh kerana permintaan perlu diperuntukkan proses masuk (benang), sistem sedemikian perlu mengekalkan sejumlah besar proses masuk (benang) apabila jumlah konkurensi adalah besar, dan memerlukan sejumlah besar konteks suis, yang memerlukan sejumlah besar CPU, sumber Sistem seperti sokongan memori, jadi apabila permintaan serentak yang tinggi masuk, CPU dan overhed memori akan meningkat dengan mendadak, yang mungkin dengan cepat menjatuhkan keseluruhan sistem dan menyebabkan perkhidmatan tidak tersedia

pelaksanaan aplikasi nodejs

Seterusnya mari kita lihat cara aplikasi nodejs dilaksanakan.

• Didorong peristiwa, utas tunggal (urutan utama)
• I/O tidak menyekat Seperti yang anda boleh lihat di tapak web rasmi, dua ciri utama nodej ialah model I/O berbenang tunggal dan model I/O "tidak menyekat". Didorong acara berbenang tunggal lebih mudah difahami Pelajar bahagian hadapan harus biasa dengan mekanisme gelung acara js, jadi mari kita kaji tentang "I/O tidak menyekat" ini. Mula-mula, mari kita lihat kod biasa untuk aplikasi pelayan nodejs

const net = require('net');
const server = net.createServer();
const fs = require('fs');

server.listen(80);  // 监听端口
// 监听事件建立连接
server.on('connection', (socket) => {
    // 监听事件读取请求数据
    socket.on('data', (data) => {
    // 异步读取本地文件
    fs.readFile('test.txt', (err, data) => {
            // 将读取的内容写入响应
            socket.write(data);
            socket.end();
        })
    });
});

Anda boleh melihat bahawa dalam nodejs, kita boleh melakukan operasi I/O dalam cara tak segerak dan memanggil I/O melalui API. . Ia akan kembali serta-merta selepas operasi, dan kemudian anda boleh terus melaksanakan logik kod lain Jadi mengapa I/O dalam nodejs "tidak menyekat"? Sebelum menjawab soalan ini, mari kita lakukan beberapa kerja penyediaan Sila rujuk penjelasan video lanjutan nodejs: Masukkan pembelajaran

Baca langkah-langkah asas operasi

Tonton dahulu Apakah langkah yang perlu dilalui oleh operasi baca seterusnya

• 用户程序调用I/O操作API，内部发出系统调用，进程从用户态转到内核态
• 系统发出I/O请求，等待数据准备好（如网络I/O，等待数据从网络中到达socket；等待系统从磁盘上读取数据等）
• 数据准备好后，复制到内核缓冲区
• 从内核空间复制到用户空间，用户程序拿到数据

接下来我们看一下操作系统中有哪些I/O模型

几种I/O模型

阻塞式I/O

---

非阻塞式I/O

---

I/O多路复用（进程可同时监听多个I/O设备就绪）

---

信号驱动I/O

---

异步I/O

---

那么nodejs里到底使用了哪种I/O模型呢？是上图中的“非阻塞I/O”吗？别着急，先接着往下看，我们来了解下nodejs的体系结构

nodejs体系结构，线程、I/O模型分析

最上面一层是就是我们编写nodejs应用代码时可以使用的API库，下面一层则是用来打通nodejs和它所依赖的底层库的一个中间层，比如实现让js代码可以调用底层的c代码库。来到最下面一层，可以看到前端同学熟悉的V8，还有其他一些底层依赖。注意，这里有一个叫libuv的库，它是干什么的呢？从图中也能看出，libuv帮助nodejs实现了底层的线程池、异步I/O等功能。libuv实际上是一个跨平台的c语言库，它在windows、linux等不同平台下会调用不同的实现。我这里主要分析linux下libuv的实现，因为我们的应用大部分时候还是运行在linux环境下的，且平台间的差异性并不会影响我们对nodejs原理的分析和理解。好了，对于nodejs在linux下的I/O模型来说，libuv实际上提供了两种不同场景下的不同实现，处理网络I/O主要由epoll函数实现（其实就是I/O多路复用，在前面的图中使用的是select函数来实现I/O多路复用，而epoll可以理解为select函数的升级版，这个暂时不做具体分析），而处理文件I/O则由多线程（线程池） + 阻塞I/O模拟异步I/O实现

---

下面是一段我写的nodejs底层实现的伪代码帮助大家理解

listenFd = new Socket();    // 创建监听socket
Bind(listenFd, 80); // 绑定端口
Listen(listenFd);   // 开始监听

for ( ; ; ) {
    // 阻塞在epoll函数上，等待网络数据准备好
    // epoll可同时监听listenFd以及多个客户端连接上是否有数据准备就绪
    // clients表示当前所有客户端连接，curFd表示epoll函数最终拿到的一个就绪的连接
    curFd = Epoll(listenFd, clients);

    if (curFd === listenFd) {
        // 监听套接字收到新的客户端连接，创建套接字
        int connFd = Accept(listenFd);
        // 将新建的连接添加到epoll监听的list
        clients.push(connFd);
    }

    else {
        // 某个客户端连接数据就绪，读取请求数据
        request = curFd.read();
        // 这里拿到请求数据后可以发出data事件进入nodejs的事件循环
        ...
    }
}

// 读取本地文件时，libuv用多线程（线程池） + BIO模拟异步I/O
ThreadPool.run((callback) => {
    // 在线程里用BIO读取文件
    String content = Read('text.txt');  
    // 发出事件调用nodejs提供的callback
});

通过I/O多路复用 + 多线程模拟的异步I/O配合事件循环机制，nodejs就实现了单线程处理并发请求并且不会阻塞。所以回到之前所说的“非阻塞I/O”模型，实际上nodejs并没有直接使用通常定义上的非阻塞I/O模型，而是I/O多路复用模型 + 多线程BIO。我认为“非阻塞I/O”其实更多是对nodejs编程人员来说的一种描述，从编码方式和代码执行顺序上来讲，nodejs的I/O调用的确是“非阻塞”的

总结

至此我们应该可以了解到，nodejs的I/O模型其实主要是由I/O多路复用和多线程下的阻塞I/O两种方式一起组成的，而应对高并发请求时发挥作用的主要就是I/O多路复用。好了，那最后我们来总结一下nodejs线程模型和I/O模型对比传统web应用多进（线）程 + 阻塞I/O模型的优势和劣势

• Nodejs menggunakan model satu-benang untuk menjimatkan kos penyelenggaraan sistem dan penukaran berbilang benang Pada masa yang sama, model I/O berbilang boleh menghalang satu-benang nodej daripada menyekat sambungan tertentu. . Dalam senario konkurensi tinggi, aplikasi nodejs hanya perlu mencipta dan mengurus deskriptor soket yang sepadan dengan berbilang sambungan pelanggan tanpa membuat proses atau rangkaian yang sepadan dengan banyaknya dikurangkan, jadi lebih banyak sambungan pelanggan boleh diproses secara serentak
• nodej tidak boleh. meningkatkan kecekapan asas operasi I/O sebenar. Jika I/O asas menjadi kesesakan prestasi sistem, nodej masih tidak dapat menyelesaikannya Iaitu, nodej boleh menerima permintaan serentak yang tinggi, tetapi jika ia perlu mengendalikan sejumlah besar operasi I/O yang perlahan (seperti membaca dan. menulis cakera), ia masih boleh menyebabkan beban sumber sistem. Oleh itu, konkurensi yang tinggi tidak boleh diselesaikan dengan mudah melalui model I/O tanpa sekatan satu-benang
• aplikasi intensif CPU boleh menjadikan model satu-utas nodej menjadi kesesakan prestasi
• nodej sesuai untuk pemprosesan konkurensi tinggi Sebilangan kecil logik perniagaan atau I/O pantas (seperti memori membaca dan menulis)

Untuk lebih banyak pengetahuan berkaitan nod, sila lawati: tutorial nodejs!

Atas ialah kandungan terperinci Analisis ringkas tentang prinsip konkurensi tinggi dalam Node. Untuk maklumat lanjut, sila ikut artikel berkaitan lain di laman web China PHP!