理解什麼是Node.js?

 

 

# 理解Node.js

為了理解Node.js是如何運作的，首先你需要理解一些使得Javascript適用於伺服器端開發的關鍵特性。 Javascript是一種簡單又靈活的語言，這種彈性讓它能夠經得起時間的考驗。函數、閉包等特性使Javascript成為一門適合Web開發的理想語言。

有一種偏見認為Javascript是不可靠的，然而事實並非如此。人們對Javascript的偏見來自於DOM,DOM是瀏覽器廠商提供的Javascript與瀏覽器互動的API，不同瀏覽器廠商實現的DOM有差異。然而，Javascript本身就是一門定義清晰的語言，可以在不同的瀏覽器及Node.js中運作。本節，我會先介紹一些Javascript的基礎以及Node.js是如何使用Javascript提供了一個效能優異的Web開發平台。

變數

Javascript使用var關鍵字定義變數。例如下面的程式碼建立了一個名為foo的變量，並在命令列中輸出。 (可以透過node variable.js在命令列中執行下面的程式碼檔案。)

程式碼檔案 variable.js

var foo = 123;console.log(foo); // 123

#Javascript運行環境（瀏覽器或Node.js）通常會定義一些我們可以使用的全域變量，例如console對象，console物件包含一個成員函數log， log函數能夠接受任意數量的參數並輸出它們。我們接下來會遇到更多的全域對象，你將會發現，Javascript具有一個優秀的程式語言應該包含的大部分特性。

數值

Javascript支援常見的算數運算元（+，-，*，/，%）。例如下列程式碼：

var foo = 3;
var bar = 5;
console.log(foo+1); //4
console.log(foo / bar); //0.6
console.log(foo * bar); //15
console.log(foo - bar); //-2
console.log(foo % 2); //取余：1

布林值

布林值包含true和false。你可以將變數賦值為true或false，並對其進行布林操作。例如下列程式碼：

var foo = true;
console.log(foo); //true//常见的布尔操作符号: &&，||， !
console.log(true && true); //true
console.log(true && false); /false
console.log(true || false); //true
console.log(false || false); //false
console.log(!true); //false
console.log(!false); //true

陣列

在Javascript中，我們可以透過[]建立陣列。數組物件包含許多有用的函數，例如下列程式碼所示：

var foo = [];

foo.push(1); //添加到数组末尾
console.log(foo); // [1]

foo.unshift(2);  //添加到数组头部
console.log(foo); // [2, 1]//数组起始位置从0开始
console.log(foo[0]); // 2

物件字面量

Javascript中通常使用物件字面量{}建立對象，例如下列程式碼所示：

var foo = {};
console.log(foo); // {}
foo.bar = 123;
console.log(foo); // {bar: 123}

上面的程式碼在執行時間新增物件屬性，我們也可以在建立物件時定義物件屬性：

var foo = {  bar: 123
};
console.log(foo); // {bar: 123}

物件字面量中可以嵌套其它物件字面量，例如下列程式碼所示：

var foo = {
  bar: 123,
  bas: {
    bas1: 'some string',
    bas2: 345
  }
};
console.log(foo);

當然，物件字面量中也可以包含陣列：

var foo = {  bar: 123,  bas: [1,2,3]
};
console.log(foo);

陣列當中也可以包含物件字面量：

var foo = {  bar: 123,  bas: [{      qux: 1
    },
    {      qux: 2
    },
    {      qux: 3
    }]
};
console.log(foo.bar); //123
console.log(foo.bas[0].qux); // 1
console.log(foo.bas[2].qux); // 2

函數

Javascript的函數非常強大，我們接下來將透過一系列的範例逐漸了解它。
通常情況下的Javascript函數結構如下所示：

function functionName(){  //函数体
}

Javascript的所有函數都有回傳值。在沒有明確宣告回傳語​​句的情況下，函數會傳回undefined。例如下面程式碼所示：

function foo(){return 123;}console.log(foo); // 123function bar(){ }console.log(bar()); // undefined

立即執行函數

我們在定義函數以後立即執行它，透過括號()包裹並呼叫函數。如下列程式碼所示：

(function foo(){
  console.log('foo was executed!');
})();

出現立即執行函數的原因是為了建立新的變數作用域。 if、else、while不會建立新的變數作用域，如以下列程式碼所示：

var foo = 123;if(true){  var foo = 456;
}console.log(foo); // 456

在Javascrit中，我們透過函數建立新的變數作用域，例如使用立即執行函數：

var foo = 123;if(true){
  (function(){      var foo = 456;
  })();
}console.log(foo); // 123

在上面的程式碼中，我們沒有為函數命名，這稱為匿名函數。

匿名函數

沒有名字的函數稱為匿名函數。在Javascript中，我們可以把函數賦值給變量，如果準備將函數當作變數使用，就不需要為函數命名。下面給了兩種等價的寫法：

var foo1 = function nameFunction(){  console.log('foo1');
}
foo1(); // foo1var foo2 = function(){  console.log('foo2');
}
foo2(); // foo2f

據說如果一門程式語言能夠把函數當作變數來對待，它就是一門優秀的程式語言，Javascript做到了這一點。

高階函數

由於Javascript允許我們將函數賦值給變量，所以我們可以將函數作為參數傳遞給其它函數。將函數作為參數的函數稱為高階函數。 setTimeout就是常見的高階函數。

setTimeout(function(){console.log('2000 milliseconds have passed since this demo started');
}, 2000);

如果在Node.js中執行上面的程式碼，會看到指令視窗2秒鐘後輸出訊息。在上面的程式碼中，我們傳遞了一個匿名函數作為setTimeout的第一個參數。我們也可以傳遞一個普通的函數：

function foo(){  console.log('2000 milliseconds have passed since this demo started');
}
setTimeout(foo, 200);

現在，我們已經了解了物件字面量和函數，接下來我們會了解閉包的概念。

閉包

閉包是能夠存取其它函數內部變數的函數。如果在函數內部定義另一個函數，內部函數能夠存取外部函數的變量，這就是閉包的常見形式。我們會透過一些例子來解釋。
在下面的程式碼中，你可以看到內部函數能夠存取外部函數的變數：

function outerFunction(arg){  var variableInOuterFunction = arg;  function bar(){console.log(variableInOuterFunction);
  }

  bar();
}

outerFunction('hello closure!');   // hello closure!

令人惊喜的是：内部函数在外部函数返回之后依然可以访问外部函数作用域中的变量。这是因为，变量仍然被绑定于内部函数，不依赖于外部函数。例如：

function outerFunction(arg){  var variableInOuterFunction = arg;  return function(){console.log(variableInOuterFunction);
  }
}var innerFunction = outerFunction('hello closure!');

innerFunction(); // hello closure!

现在，我们已经了解了闭包，接下来，我们会探究一下使Javascript成为一门适合服务器端编程的语言的原因。

Node.js性能

Node.js致力于开发高性能应用程序。接下来的部分，我们会介绍大规模I/O问题，并分别展示传统方式及Node.js是如何解决这个问题的。

大规模I/O问题

大多数Web应用通过硬盘或者网络（例如查询另一台机器的数据库）获取数据，从硬盘或网络获取数据的速度远远慢于CPU的处理周期。当收到一个HTTP请求以后，我们需要从数据库获取数据，请求会一直等待直到获取数据完成。这些创建的连接和还未结束的请求会消耗服务器的资源（内存和CPU）。为了使同一台Web服务器能够处理大规模请求，我们需要解决大规模I/O问题。

每一个请求创建一个进程

传统的Web服务器为每一个请求创建一个新的进程，这是一种对内存和CPU开销都很昂贵的操作。PHP最开始就是采用的这种方法。在等待响应期间，进程仍然会消耗资源，并且进程的创建更慢。所以现代Web应用大多使用线程池的方法。

线程池

现代Web服务器使用线程池来处理每个请求。线程和进程相比，更加轻量级。在创建线程池以后，我们就不再需要为开始或结束进程而付出额外代价。当收到一个请求，我们为它分配一个线程。然而，线程池仍然会浪费一些资源。

单线程模式

我们知道为请求分别创建进程或者线程会导致系统资源浪费。与之相对，Node.js采取了单线程来处理请求。单线程服务器的性能优于线程池服务器的理念并不是Node.js首创，Nginx也是基于这种理念。Nginx是一种单线程服务器，能够处理极大数量的并发请求。
Javascript是单线程的，如果你有一个耗时操作（例如网络请求），就必须使用回调。下面的代码使用setTimeout模拟了一个耗时操作，可以用Node.js执行。

function longRunningOperation(callback){
  setTimeout(callback, 3000);
}function UserClicked(){  console.log('starting a long operation');
  longRunningOperation(function(){      console.log('ending a long operation');
  })
}
UserClicked();

让我们模拟一下Web请求：

function longRunningOperation(callback){
  setTimeout(callback, 3000);
}function webRequest(request){  console.log('starting a long operation for request:', request.id);
  longRunningOperation(function(){console.log('ending a long operation for request:', request.id);
  });
}

webRequest({id: 1});
webRequest({id: 2});

//输出
//starting a long operation for request: 1//starting a long operation for request: 2//ending a long operation for request: 1//ending a long operation for request: 2

更多的Node.js细节

Node.js的核心是一个event loop。event loop使得任何用户图形界面应用程序可以在任何操作系统中工作。当事件被触发时（例如：用户点击鼠标），操作系统调用程序的某个函数，程序执行函数中的代码。之后，程序准备响应已经在队列中的事件或尚未出现的事件。

线程饥饿

通常，在GUI程序中，当由一个事件调用的函数执行期间，其它事件不会被处理。因此，当你在相关函数中执行耗时操作时，GUI会变得无响应。这种CPU资源的短缺被成为饥饿。
Node.js基于和GUI应用程序相同的event loop原则。因此，它也会面临饥饿的问题。为了帮助更好的理解，我们通过几个例子来说明：

console.time('timer');
setTimeout(function(){  console.timeEnd('timer');  //timer: 1002.615ms
}, 1000)

运行这段代码，与我们期望的相同，终端显示的数字在1000ms左右。
接下来我们想写一段耗时更长的代码，例如一个未经优化的计算Fibonacci数列的方法：

console.time(&#39;timeit&#39;);function fibonacci(n){  if(n<2){return 1;
  }else{return fibonacci(n-2) + fibonacci(n-1);
  }
}
fibonacci(44);console.timeEnd(&#39;timeit&#39;);  //我的电脑耗时 11863.331ms，每台电脑会有差异

现在我们可以模拟Node.js的线程饥饿。setTimeout用于在指定的时间以后调用函数，如果我们在函数调用以前，执行一个耗时方法，由于耗时方法占用CPU和Javascript线程，setTimeout指定的函数无法被及时调用，只能等待耗时方法运行结束以后被调用。例如下面的代码：

function fibonacci(n){  if(n<2){return 1;
  }else{return fibonacci(n-2) + fibonacci(n-1);
  }
}console.time(&#39;timer&#39;);
setTimeout(function(){  console.timeEnd(&#39;timer&#39;);  // 输出时间会大于 1000ms
}, 1000)

fibonacci(44);

所以，如果你面临CPU密集型场景，Node.js并不是最佳选择，但也很难找到其它合适的平台。但是Node.js非常适用于I/O密集型场景。

数据密集型应用

Node.js适用于I/O密集型。单线程机制意味着Node.js作为Web服务器会占用更少的内存，能够支持更多的请求。与执行代码相比，从数据库获取数据需要花费更多的时间。下图展示了传统的线程池模型的服务器是如何处理用户请求的：

Node.js服务器处理请求的方式如下图。因为所有的工作都在单线程内完成，所以消耗更少的内存，同时因为不需要切换线程，所以CPU负载更小。

V8 Javascript引擎

Node.js中的所有Javascript通过V8 Javascript引擎执行。V8产生于谷歌Chrome项目，V8在Chrome中用于运行Javascript。V8不仅速度更快，而且很容易被集成到其它项目。

更多的Javascript

精通Javascript使得Node.js开发者不仅能够写出更加容易维护的项目，而且能够利用到Javascript生态链的优势。

默认值

Javascript变量的默认值是undefined。如下列代码所示：

var foo;console.log(foo);  //undefined

变量不存在的属性也会返回undefined

var foo = {bar: 123};
console.log(foo.bar); // 123
console.log(foo.bas); // undefined

全等

需要注意Javascript当中 ==与===的区别。==会对变量进行类型转换，===不会。推荐的用法是总是使用===。

console.log(5 == '5'); // true
console.log(5 === '5'); // false

null

null是一个特殊的Javascript对象，用于表示空对象。而undefined用于表示变量不存在或未初始化。我们不需要给变量赋值为undefined，因为undefined是变量的默认值。

透露模块模式

透露模块模式的关键在于Javascript对闭包的支持以及能够返回任意对象的能力。如下列代码所示:

function printableMessage(){  var message = 'hello';  function setMessage(newMessage){if(!newMessage) throw new Error('cannot set empty message');
    message = newMessage;
  }  function getMessage(){return message;
  }  function printMessage(){
    console.log(message);
  }  return {
    setMessage: setMessage,
    getMessage: getMessage,
    printMessage: printMessage
  };
}var awesome1 = printableMessage();
awesome1.printMessage(); //hellovar awesome2 = printableMessage();
awesome2.setMessage('hi');
awesome2.printMessage(); // hi

awesome1.printMessage(); //hello

理解this

this总是指向调用函数的对象。例如：

var foo = {  bar: 123,  bas: function(){console.log('inside this.bar is: ', this.bar);
  }
}console.log('foo.bar is:', foo.bar); //foo.bar is: 123
foo.bas(); //inside this.bar is: 123

由于函数bas被foo对象调用，所以this指向foo。如果是纯粹的函数调用，则this指向全局变量。例如：

function foo(){  console.log('is this called from globals? : ', this === global); //true
}
foo();

如果我们在浏览器中执行上面的代码，全局变量global会变为window。
如果函数的调用对象改变，this的指向也会改变：

var foo = {  bar: 123
};function bas(){  if(this === global){console.log('called from global');
  }  if(this === foo){console.log('called from foo');
  }
}//指向global
bas(); //called from global//指向foo
foo.bas = bas;
foo.bas(); //called from foo

如果通过new操作符调用函数，函数内的this会指向由new创建的对象。

function foo(){  this.foo = 123;
  console.log('Is this global? : ', this == global);
}

foo(); // Is this global? : true
console.log(global.foo); //123var newFoo = new foo(); //Is this glocal ? : false
console.log(newFoo.foo); //123

通过上面代码，我们可以看到，在通过new调用函数时，函数内的this指向发生改变。

理解原型

Javascript通过new操作符及原型属性可以模仿面向对象的语言。每个Javascript对象都有一个被称为原型的内部链接指向其他对象。
当我们调用一个对象的属性，例如:foo.bar，Javascript会检查foo对象是否存在bar属性，如果不存在，Javascript会检查bar属性是否存在于foo._proto_，以此类推，直到对象不存在_proto_。如果在任何层级发现属性的值，则立即返回，否则，返回undefined。

var foo ={};
foo._proto_.bar = 123;
console.log(foo.bar); //123

当我们通过new操作符创建对象时，对象的_proto_会被赋值为函数的prototype属性，例如：

function foo(){};
foo.prototype.bar = 123;var bas = new foo();console.log(bas._proto_ === foo.prototype); //trueconsole.log(bas.bar);

函数的所有实例共享相同的prototype

function foo(){};
foo.prototype.bar = 123;

var bas = new foo();
var qux = new foo();
console.log(bas.bar); //123
console.log(qux.bar); //123

foo.prototype.bar = 456;
console.log(bas.bar); //456
console.log(qux.bar); //456

只有当属性不存在时，才会访问原型，如果属性存在，则不会访问原型。

function foo(){};
foo.prototype.bar = 123;var bas = new foo();var qux = new foo();

bas.bar = 456;console.log(bas.bar);//456console.log(qux.bar); //123

上面的代码表明，如果修改了bas.bar, bas._proto_.bar就不再被访问。

错误处理

Javascript的异常处理机制类似其它语言，通过throw关键字抛出异常，通过catch关键字捕获异常。例如：

try{
  console.log('About to throw an error');  throw new Error('Error thrown');
}
catch(e){
  console.log('I will only execute if an error is thrown');
  console.log('Error caught: ', e.message);
}finally{
  console.log('I will execute irrespective of an error thrown');
}

总结

本章，我们介绍了一些Node.js及Javascript的重要概念，知道了Node.js适用于开发数据密集型应用程序。下章我们将开始介绍如何使用Node.js开发应用程序。

以上是理解什麼是Node.js?的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！