Nodejs中事件循環機制的示例

這篇文章主要介紹Nodejs中事件循環機制的示例，文中介紹的非常詳細，具有一定的參考價值，感興趣的小伙伴們一定要看完！

Node.js 采用事件驅動和異步 I/O 的方式，實現了一個單線程、高并發的 JavaScript 運行時環境，而單線程就意味著同一時間只能做一件事，那么 Node.js 如何通過單線程來實現高并發和異步 I/O？本文將圍繞這個問題來探討 Node.js 的單線程模型 。

高并發策略

一般來說，高并發的解決方案就是提供多線程模型，服務器為每個客戶端請求分配一個線程，使用同步 I/O，系統通過線程切換來彌補同步 I/O 調用的時間開銷。比如 Apache 就是這種策略，由于 I/O 一般都是耗時操作，因此這種策略很難實現高性能，但非常簡單，可以實現復雜的交互邏輯。

而事實上，大多數網站的服務器端都不會做太多的計算，它們接收到請求以后，把請求交給其它服務來處理（比如讀取數據庫），然后等著結果返回，最后再把結果發給客戶端。因此，Node.js 針對這一事實采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，然后對 I/O 操作進行異步處理，避開了創建、銷毀線程以及在線程間切換所需的開銷和復雜性。

事件循環

Node.js 在主線程里維護了一個事件隊列，當接到請求后，就將該請求作為一個事件放入這個隊列中，然后繼續接收其他請求。當主線程空閑時(沒有請求接入時)，就開始循環事件隊列，檢查隊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，并通過回調函數返回到上層調用；如果是 I/O 任務，就從 線程池 中拿出一個線程來處理這個事件，并指定回調函數，然后繼續循環隊列中的其他事件。

當線程中的 I/O 任務完成以后，就執行指定的回調函數，并把這個完成的事件放到事件隊列的尾部，等待事件循環，當主線程再次循環到該事件時，就直接處理并返回給上層調用。 這個過程就叫 事件循環 (Event Loop)，其運行原理如下圖所示：

這個圖是整個 Node.js 的運行原理，從左到右，從上到下，Node.js 被分為了四層，分別是 應用層、V8引擎層、Node API層 和 LIBUV層。

應用層：   即 JavaScript 交互層，常見的就是 Node.js 的模塊，比如 http，fs

V8引擎層：  即利用 V8 引擎來解析JavaScript 語法，進而和下層 API 交互

NodeAPI層：  為上層模塊提供系統調用，一般是由 C 語言來實現，和操作系統進行交互 。

LIBUV層： 是跨平臺的底層封裝，實現了 事件循環、文件操作等，是 Node.js 實現異步的核心 。

無論是 Linux 平臺還是 Windows 平臺，Node.js 內部都是通過 線程池 來完成異步 I/O 操作的，而 LIBUV 針對不同平臺的差異性實現了統一調用。因此，Node.js 的單線程僅僅是指 JavaScript 運行在單線程中，而并非 Node.js 是單線程。

工作原理

Node.js 實現異步的核心是事件，也就是說，它把每一個任務都當成 事件 來處理，然后通過 Event Loop 模擬了異步的效果，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，那就是一個先進先出 (FIFO) 的數據結構，我們用JS數組來描述，如下：

/**
 * 定義事件隊列
 * 入隊：push()
 * 出隊：shift()
 * 空隊列：length == 0
 */
globalEventQueue: []

我們利用數組來模擬隊列結構：數組的第一個元素是隊列的頭部，數組的最后一個元素是隊列的尾部，push() 就是在隊列尾部插入一個元素，shift() 就是從隊列頭部彈出一個元素。這樣就實現了一個簡單的事件隊列。

【2】定義接收請求入口

每一個請求都會被攔截并進入處理函數，如下所示：

/**
 * 接收用戶請求
 * 每一個請求都會進入到該函數
 * 傳遞參數request和response
 */
processHttpRequest:function(request,response){
    
    // 定義一個事件對象
    var event = createEvent({
        params:request.params, // 傳遞請求參數
        result:null, // 存放請求結果
        callback:function(){} // 指定回調函數
    });

    // 在隊列的尾部添加該事件   
    globalEventQueue.push(event);
}

這個函數很簡單，就是把用戶的請求包裝成事件，放到隊列里，然后繼續接收其他請求。

【3】定義 Event Loop

當主線程處于空閑時就開始循環事件隊列，所以我們還要定義一個函數來循環事件隊列：

/**
 * 事件循環主體，主線程擇機執行
 * 循環遍歷事件隊列
 * 處理非IO任務
 * 處理IO任務
 * 執行回調，返回給上層
 */
eventLoop:function(){
    // 如果隊列不為空，就繼續循環
    while(this.globalEventQueue.length > 0){
        
        // 從隊列的頭部拿出一個事件
        var event = this.globalEventQueue.shift();
        
        // 如果是耗時任務
        if(isIOTask(event)){
            // 從線程池里拿出一個線程
            var thread = getThreadFromThreadPool();
            // 交給線程處理
            thread.handleIOTask(event)
        }else {
            // 非耗時任務處理后，直接返回結果
            var result = handleEvent(event);
            // 最終通過回調函數返回給V8，再由V8返回給應用程序
            event.callback.call(null,result);
        }
    }
}

主線程不停的檢測事件隊列，對于 I/O 任務，就交給線程池來處理，非 I/O 任務就自己處理并返回。

【4】處理 I/O 任務

線程池接到任務以后，直接處理IO操作，比如讀取數據庫：

/**
 * 處理IO任務
 * 完成后將事件添加到隊列尾部
 * 釋放線程
 */
handleIOTask:function(event){
    //當前線程
    var curThread = this; 

    // 操作數據庫
    var optDatabase = function(params,callback){
        var result = readDataFromDb(params);
        callback.call(null,result)
    };
    
    // 執行IO任務
    optDatabase(event.params,function(result){
        // 返回結果存入事件對象中
        event.result = result; 

        // IO完成后，將不再是耗時任務
        event.isIOTask = false; 
        
        // 將該事件重新添加到隊列的尾部
        this.globalEventQueue.push(event);
        
        // 釋放當前線程
        releaseThread(curThread)
    })
}

當 I/O 任務完成以后就執行回調，把請求結果存入事件中，并將該事件重新放入隊列中，等待循環，最后釋放當前線程，當主線程再次循環到該事件時，就直接處理了。

總結以上過程我們發現，Node.js 只用了一個主線程來接收請求，但它接收請求以后并沒有直接做處理，而是放到了事件隊列中，然后又去接收其他請求了，空閑的時候，再通過 Event Loop 來處理這些事件，從而實現了異步效果，當然對于IO類任務還需要依賴于系統層面的線程池來處理。

因此，我們可以簡單的理解為：Node.js 本身是一個多線程平臺，而它對 JavaScript 層面的任務處理是單線程的。

CPU密集型是短板

至此，對于 Node.js 的單線程模型，我們應該有了一個簡單而又清晰的認識，它通過事件驅動模型實現了高并發和異步 I/O，然而也有 Node.js 不擅長做的事情：

上面提到，如果是 I/O 任務，Node.js 就把任務交給線程池來異步處理，高效簡單，因此 Node.js 適合處理I/O密集型任務。但不是所有的任務都是 I/O 密集型任務，當碰到CPU密集型任務時，即只用CPU計算的操作，比如要對數據加解密(node.bcrypt.js)，數據壓縮和解壓(node-tar)，這時 Node.js 就會親自處理，一個一個的計算，前面的任務沒有執行完，后面的任務就只能干等著 。如下圖所示：

在事件隊列中，如果前面的 CPU 計算任務沒有完成，后面的任務就會被阻塞，出現響應緩慢的情況，如果操作系統本身就是單核，那也就算了，但現在大部分服務器都是多 CPU 或多核的，而 Node.js 只有一個 EventLoop，也就是只占用一個 CPU 內核，當 Node.js 被CPU 密集型任務占用，導致其他任務被阻塞時，卻還有 CPU 內核處于閑置狀態，造成資源浪費。

因此，Node.js 并不適合 CPU 密集型任務。

適用場景

RESTful API - 請求和響應只需少量文本，并且不需要大量邏輯處理， 因此可以并發處理數萬條連接。

聊天服務 - 輕量級、高流量，沒有復雜的計算邏輯。

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