為什麼 Elixir 在非同步處理方面比 Node.js 更好？

簡單的答案：Node.js 是單線程的，並拆分該單線程來模擬並發，而Elixir 利用了Erlang 虛擬機BEAM 的原生並發和並行性，同時運行進程。

下面，我們將更深入地理解這種差異，探索兩個關鍵概念：Node.js 事件循環和 Elixir 的 BEAM VM 和 OTP。這些元素對於理解每種技術如何處理執行非同步任務以及這如何影響不同應用程式中的效能和可擴展性至關重要。

1.什麼是事件循環？

Node.js 在單一主執行緒上運行，並使用稱為事件循環的機制來管理非同步操作。基本概念是它檢查待處理的待處理任務，例如 I/O 操作、promise 和 callbacls，並在它們準備好時執行它們。

1.1 實踐中如何運作：

當啟動非同步操作時（例如對 API 的查詢），它會委託給 libuv。同時，事件循環繼續接受其他連結。
當非同步操作完成時，libuv 將結果傳回事件佇列，然後事件循環將與此操作關聯的回呼放在呼叫堆疊上。

1.2 事件循環的限制：

• 如果呼叫堆疊上存在耗時或 CPU 密集型任務，它可能會阻塞其他操作的處理，從而降低效率。

• 並發受到限制，因為所有內容都在單一主執行緒上運行。

2.BEAM VM 和 OTP

Elixir 建構於 BEAM VM 之上，該虛擬機為 Erlang 提供支持，以其處理高並發性和彈性的能力而聞名。與 Node.js 不同，Elixir 不依賴單一執行緒。相反，它使用由 BEAM 管理的極其輕量級且隔離的進程。

2.1 實務中如何運作：

• Elixir 中的每個進程都是獨立的，這意味著它們不共享內存，也不會互相阻塞。
• 這些進程由 BEAM 管理，BEAM 可以同時建立和管理數百萬個進程，在所有可用的 CPU 核心之間分配負載。
• 此外，Elixir 還附帶 OTP（開放電信平台），它提供了一組用於構建健壯的分散式系統的庫和工具。

2.2 BEAM和OTP的優點：

• 可擴充性：BEAM 可以將進程分佈在所有 CPU 核心上，從而最大限度地提高資源利用率。
• 彈性：如果一個行程失敗，不會影響其他行程。這允許您建立容錯系統。
• 真正的競爭：與僅限於單一執行緒的事件循環不同，Elixir 可以利用多個 CPU 核心真正並行運行進程。

3. Node.js 和 Elixir 的實作比較

讓我們想像一台伺服器需要處理數千個同時連接，每個連接都執行非同步操作和一些繁重且耗時的處理。

3.1 使用 Node.js：

• 伺服器在某種程度上是高效的，但隨著大量操作的堆積，事件循環開始變得過載。雖然充分利用 JS 和 Node 中可用的資源可以對效能有很大幫助：例如正確使用 async/wait 和/或 then/catch 以及內建資源例如lib節點：叢集
• 這可能會導致回應新連線的延遲，進而對效能造成重大影響。

3.2 使用 Elixir：

• 每個連線都可以由單獨的進程管理。 I/O 操作、計算甚至故障都可以隔離管理。
• BEAM 有效地分配負載，確保系統即使在高需求下也能繼續運作而不會出現重大問題。
• 如果需要，可以透過訊息在進程之間進行通訊。
• BEAM 搶佔式調度引擎。

結論

Node.js 對於許多應用程式來說都是一個優秀的工具，特別是那些處理簡單的非同步操作並且不需要大量 CPU 處理的應用程式。然而，其基於單線程的並發模型在更複雜的場景中可能會成為瓶頸。

Elixir 具有BEAM VM 以及對輕量級進程和大規模並發的本機支持，為需要處理大量並發操作並在多個CPU 線程之間分配負載的系統提供了強大且高效率的替代方案。如果您需要彈性、可擴展性和高並發，Elixir 是您的選擇。

雖然本文的標題大膽地表明 Elixir 和 BEAM 在非同步處理方面優於 Node.js，但重要的是要認識到這些技術之間存在顯著差異。決定使用哪一種必須考慮多種因素，而不僅僅是這裡討論的並發性和並行性。生態系統、團隊對語言的熟悉程度、具體專案要求以及要執行的任務的性質等方面在選擇最適合工作的工具時發揮著至關重要的作用。畢竟每個場景都有其特殊性，技術的選擇必須從全局的角度來考慮，考慮到專案的所有需求和挑戰。

參考書目

主題：

執行緒是程式中最小的執行單元。在許多作業系統上，一個行程可以包含多個執行緒，每個執行緒執行程式的不同部分。執行緒可以共享記憶體和資源，但這可能會導致競爭條件等並發問題。

競賽：

並發是系統同時處理多個任務的能力。在並發系統中，多個任務即使不同時運作也可以獨立進行。例如，BEAM 管理獨立運作的競爭流程。

事件循環：

事件循環是 Node.js 等系統中用於管理非同步操作的設計模式。它工作在單線程中，循環執行任務，回應I/O和非同步執行等事件，保證程式在等待長時間操作的同時繼續回應。

平行度：

並行是指在不同的CPU核心上同時執行多個任務。與指並發任務的管理的並發不同，並行涉及實際同時執行這些任務。 BEAM 將進程分佈在多個核心上以最大限度地提高並行性。

輕量級流程：

在 BEAM 中，輕量級進程是比傳統執行緒具有更高記憶體和 CPU 效率的執行單元。它們彼此隔離並由 BEAM 管理，這允許您建立和管理數百萬個並發程序。

搶佔式調度：

搶佔式調度是一種執行時間管理系統，作業系統或虛擬機器為每個行程分配時間片，確保沒有行程獨佔CPU。在 BEAM，這確保了所有流程都有機會公平執行。

光束虛擬機器：

BEAM（Bogdan/Björn 的 Erlang Abstract Machine）是執行 Erlang 和 Elixir 程式碼的虛擬機器。它以高效管理輕量級流程、支援大規模並發和並行以及提供容錯能力而聞名。

OTP（開放電信平台）：

OTP 是 Erlang 和 Elixir 附帶的一組函式庫和設計模式。它提供了建構並發、分散式和容錯系統的工具，有助於開發健壯且可擴展的應用程式。

利布夫

是一個跨平台函式庫，為 Node.js 中的非同步 I/O 操作提供支援。它負責實現事件循環並抽象化作業系統功能，例如網路操作、檔案系統和執行緒。 libuv 讓 Node.js 在單執行緒中有效執行非同步任務，利用內部執行緒池進行阻塞操作，確保主事件循環的連續性。

輸入/輸出操作

I/O（輸入/輸出）操作是指程式與外部世界之間的任何交互，例如讀取或寫入檔案、與硬體設備通訊或透過網路交換資料。這些操作可能非常耗時，並且在許多系統上都是非同步執行的，以防止程式在等待操作完成時發生阻塞。

參考

二郎。簡短的 BEAM 底漆。 Erlang 博客，2020。可參閱：https://www.erlang.org/blog/a-brief-beam-primer/。瀏覽日期：8 月 29 日2024 年。

二郎。 Erlang 入門 [PDF]。 Erlang.org。網址為：https://erlang.org/download/erlang-book-part1.pdf。瀏覽日期：8 月 29 日2024 年。

節點醫生。 Node.js 事件循環的動畫指南。 Dev.to，2021 年。可參閱：https://dev.to/nodedoctors/an-animated-guide-to-nodejs-event-loop-3g62。瀏覽日期：8 月 29 日2024 年。

節點醫生。動畫 Node.js 事件循環階段。 Dev.to，2022 年。可參閱：https://dev.to/nodedoctors/animated-nodejs-event-loop-phases-1mcp。瀏覽日期：8 月 29 日2024 年。

NODE.JS。簇。 Node.js，2023。可參閱：https://nodejs.org/api/cluster.html。瀏覽日期：8 月 29 日2024 年。

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