詳細了解Nodejs中的事件循環機制
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- 2021-01-05 17:40:042019瀏覽
這篇文章帶大家了解一下nodejs事件循環機制。有一定的參考價值，有需要的朋友可以參考一下，希望對大家有幫助。
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Node.js 採用事件驅動和非同步I/O 的方式，實作了一個單執行緒、高並發的JavaScript 執行緒環境，而單執行緒就意味著同一時間只能做一件事，那麼Node.js 如何透過單一執行緒來實現高並發和非同步I/O？本文將圍繞這個問題來探討 Node.js 的單線程模型 。
高並發策略
一般來說，高並發的解決方案就是提供多線程模型，伺服器為每個客戶端請求分配一個線程，使用同步I /O，系統透過執行緒切換來彌補同步I/O 呼叫的時間開銷。例如 Apache 就是這種策略，由於 I/O 一般都是耗時操作，因此這種策略很難實現高效能，但非常簡單，可以實現複雜的互動邏輯。
而事實上，大多數網站的伺服器端都不會做太多的計算，它們接收到請求以後，把請求交給其它服務來處理（例如讀取資料庫），然後等著結果返回，最後再把結果發給客戶端。因此，Node.js 針對這一事實採用了單線程模型來處理，它不會為每個接入請求分配一個線程，而是用一個主線程處理所有的請求，然後對I/O 操作進行非同步處理，避開了創建、銷毀線程以及在線程間切換所需的開銷和複雜性。
事件循環
Node.js 在主執行緒裡維護了一個事件佇列，當接到請求後，就將該請求當作一個事件放入這個佇列中，然後繼續接收其他請求。當主執行緒空閒時(沒有請求存取)，就開始循環事件佇列，檢查佇列中是否有要處理的事件，這時要分兩種情況：如果是非I/O 任務，就親自處理，並透過回調函數回到上層呼叫；如果是I/O 任務，就從 執行緒池 中拿出一個執行緒來處理這個事件，並指定回呼函數，然後繼續循環佇列中的其他事件。
當執行緒中的I/O 任務完成以後，就執行指定的回呼函數，並把這個完成的事件放到事件佇列的尾部，等待事件循環，當主執行緒再次循環到該事件時，就直接處理並傳回給上層呼叫。這個過程叫做 事件循環 (Event Loop)，其運作原理如下圖：
這個圖是整個Node.js 的運作原理，從左到右，從上到下，Node.js 被分成了四層，分別是 應用層、V8引擎層、Node API層和 LIBUV層。
應用程式層： 即JavaScript 互動層，常見的是Node.js 的模組，例如http，fs
V8引擎層： 即利用V8 引擎來解析JavaScript語法，進而和下層API 互動
NodeAPI層： 為上層模組提供系統調用，一般是由C 語言來實現，和作業系統進行互動。
LIBUV層： 是跨平台的底層封裝，實作了 事件循環、檔案操作等，是 Node.js 實作非同步的核心 。
#無論是Linux 平台還是Windows 平台，Node.js 內部都是透過 執行緒池 來完成非同步I/O 操作的，而LIBUV 針對不同平台的差異性實現了統一呼叫。因此，Node.js 的單執行緒只是指 JavaScript 運行在單一執行緒中，而非 Node.js 是單執行緒。
工作原理
Node.js 實現非同步的核心是事件，也就是說，它把每個任務都當成 事件 來處理，然後透過Event Loop 模擬了非同步的效果，為了更具體、更清晰的理解和接受這個事實，下面我們用偽代碼來描述一下其工作原理。
【1】定義事件隊列
既然是隊列，那就是先進先出(FIFO) 的資料結構，我們用JS數組來描述，如下：
/** * 定义事件队列 * 入队：push() * 出队：shift() * 空队列：length == 0 */ globalEventQueue: []
我們利用陣列來模擬佇列結構：陣列的第一個元素是佇列的頭部，陣列的最後一個元素是佇列的尾部，push() 就是在佇列尾部插入一個元素，shift( ) 就是從隊列頭部彈出一個元素。這樣就實作了一個簡單的事件隊列。
【2】定義接收請求入口
每個請求都會被攔截並進入處理函數，如下所示：
#/**
* 接收用户请求
* 每一个请求都会进入到该函数
* 传递参数request和response
*/
processHttpRequest:function(request,response){
// 定义一个事件对象
var event = createEvent({
params:request.params, // 传递请求参数
result:null, // 存放请求结果
callback:function(){} // 指定回调函数
});
// 在队列的尾部添加该事件
globalEventQueue.push(event);
}这个函数很简单，就是把用户的请求包装成事件，放到队列里，然后继续接收其他请求。
【3】定义 Event Loop
当主线程处于空闲时就开始循环事件队列，所以我们还要定义一个函数来循环事件队列：
/**
* 事件循环主体，主线程择机执行
* 循环遍历事件队列
* 处理非IO任务
* 处理IO任务
* 执行回调，返回给上层
*/
eventLoop:function(){
// 如果队列不为空，就继续循环
while(this.globalEventQueue.length > 0){
// 从队列的头部拿出一个事件
var event = this.globalEventQueue.shift();
// 如果是耗时任务
if(isIOTask(event)){
// 从线程池里拿出一个线程
var thread = getThreadFromThreadPool();
// 交给线程处理
thread.handleIOTask(event)
}else {
// 非耗时任务处理后，直接返回结果
var result = handleEvent(event);
// 最终通过回调函数返回给V8，再由V8返回给应用程序
event.callback.call(null,result);
}
}
}主线程不停的检测事件队列，对于 I/O 任务，就交给线程池来处理，非 I/O 任务就自己处理并返回。
【4】处理 I/O 任务
线程池接到任务以后，直接处理IO操作，比如读取数据库：
/**
* 处理IO任务
* 完成后将事件添加到队列尾部
* 释放线程
*/
handleIOTask:function(event){
//当前线程
var curThread = this;
// 操作数据库
var optDatabase = function(params,callback){
var result = readDataFromDb(params);
callback.call(null,result)
};
// 执行IO任务
optDatabase(event.params,function(result){
// 返回结果存入事件对象中
event.result = result;
// IO完成后，将不再是耗时任务
event.isIOTask = false;
// 将该事件重新添加到队列的尾部
this.globalEventQueue.push(event);
// 释放当前线程
releaseThread(curThread)
})
}当 I/O 任务完成以后就执行回调，把请求结果存入事件中，并将该事件重新放入队列中，等待循环，最后释放当前线程，当主线程再次循环到该事件时，就直接处理了。
总结以上过程我们发现，Node.js 只用了一个主线程来接收请求，但它接收请求以后并没有直接做处理，而是放到了事件队列中，然后又去接收其他请求了，空闲的时候，再通过 Event Loop 来处理这些事件，从而实现了异步效果，当然对于IO类任务还需要依赖于系统层面的线程池来处理。
因此，我们可以简单的理解为：Node.js 本身是一个多线程平台，而它对 JavaScript 层面的任务处理是单线程的。
CPU密集型是短板
至此，对于 Node.js 的单线程模型，我们应该有了一个简单而又清晰的认识，它通过事件驱动模型实现了高并发和异步 I/O，然而也有 Node.js 不擅长做的事情：
上面提到，如果是 I/O 任务，Node.js 就把任务交给线程池来异步处理，高效简单，因此 Node.js 适合处理I/O密集型任务。但不是所有的任务都是 I/O 密集型任务，当碰到CPU密集型任务时，即只用CPU计算的操作，比如要对数据加解密(node.bcrypt.js)，数据压缩和解压(node-tar)，这时 Node.js 就会亲自处理，一个一个的计算，前面的任务没有执行完，后面的任务就只能干等着 。如下图所示：
在事件队列中，如果前面的 CPU 计算任务没有完成，后面的任务就会被阻塞，出现响应缓慢的情况，如果操作系统本身就是单核，那也就算了，但现在大部分服务器都是多 CPU 或多核的，而 Node.js 只有一个 EventLoop，也就是只占用一个 CPU 内核，当 Node.js 被CPU 密集型任务占用，导致其他任务被阻塞时，却还有 CPU 内核处于闲置状态，造成资源浪费。
因此，Node.js 并不适合 CPU 密集型任务。
适用场景
RESTful API - 请求和响应只需少量文本，并且不需要大量逻辑处理， 因此可以并发处理数万条连接。
聊天服务 - 轻量级、高流量，没有复杂的计算逻辑。
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