前言

Node 最初是為打造高性能的 Web 服務(wù)器而生，作為 JavaScript 的服務(wù)端運(yùn)行時(shí)，具有事件驅(qū)動(dòng)、異步 I/O、單線程等特性?；谑录h(huán)的異步編程模型使 Node 具備處理高并發(fā)的能力，極大地提升服務(wù)器的性能，同時(shí)，由于保持了 JavaScript 單線程的特點(diǎn)，Node 不需要處理多線程下狀態(tài)同步、死鎖等問題，也沒有線程上下文切換所帶來的性能上的開銷?；谶@些特性，使 Node  具備高性能、高并發(fā)的先天優(yōu)勢(shì)，并可基于它構(gòu)建各種高速、可伸縮網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用平臺(tái)。

本文將深入 Node 異步和事件循環(huán)的底層實(shí)現(xiàn)和執(zhí)行機(jī)制，希望對(duì)你有所幫助。

為什么要異步？

Node 為什么要使用異步來作為核心編程模型呢？

前面說過，Node 最初是為打造高性能的 Web 服務(wù)器而生，假設(shè)業(yè)務(wù)場(chǎng)景中有幾組互不相關(guān)的任務(wù)要完成，現(xiàn)代主流的解決方式有以下兩種：

• 單線程串行依次執(zhí)行。

• 多線程并行完成。

單線程串行依次執(zhí)行，是一種同步的編程模型，它雖然比較符合程序員按順序思考的思維方式，易寫出更順手的代碼，但由于是同步執(zhí)行 I/O，同一時(shí)刻只能處理單個(gè)請(qǐng)求，會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器響應(yīng)速度較慢，無法在高并發(fā)的應(yīng)用場(chǎng)景下適用，且由于是阻塞 I/O，CPU 會(huì)一直等待 I/O 完成，無法做其他事情，使 CPU 的處理能力得不到充分利用，最終導(dǎo)致效率的低下，

而多線程的編程模型也會(huì)因?yàn)榫幊讨械臓顟B(tài)同步、死鎖等問題讓開發(fā)人員頭疼。盡管多線程在多核 CPU 上能夠有效提升 CPU 的利用率。

雖然單線程串行依次執(zhí)行和多線程并行完成的編程模型有其自身的優(yōu)勢(shì)，但是在性能、開發(fā)難度等方面也有不足之處。

除此之外，從響應(yīng)客戶端請(qǐng)求的速度出發(fā)，如果客戶端同時(shí)獲取兩個(gè)資源，同步方式的響應(yīng)速度會(huì)是兩個(gè)資源的響應(yīng)速度之和，而異步方式的響應(yīng)速度會(huì)是兩者中最大的一個(gè)，性能優(yōu)勢(shì)相比同步十分明顯。隨著應(yīng)用復(fù)雜度的增加，該場(chǎng)景會(huì)演變成同時(shí)響應(yīng) n 個(gè)請(qǐng)求，異步相比于同步的優(yōu)勢(shì)將會(huì)凸顯出來。

綜上所述，Node 給出了它的答案：利用單線程，遠(yuǎn)離多線程死鎖、狀態(tài)同步等問題；利用異步 I/O，讓單線程遠(yuǎn)離阻塞，以更好地使用 CPU。這就是 Node 使用異步作為核心編程模型的原因。

此外，為了彌補(bǔ)單線程無法利用多核 CPU 的缺點(diǎn)，Node 也提供了類似瀏覽器中 Web Workers 的子進(jìn)程，該子進(jìn)程可以通過工作進(jìn)程高效地利用 CPU。

如何實(shí)現(xiàn)異步？

聊完了為什么要使用異步，那要如何實(shí)現(xiàn)異步呢？

我們通常所說的異步操作總共有兩類：一是像文件 I/O、網(wǎng)絡(luò) I/O 這類與 I/O 有關(guān)的操作；二是像 setTimeOut、setInterval 這類與 I/O 無關(guān)的操作。很明顯我們所討論的異步是指與 I/O 有關(guān)的操作，即異步 I/O。

異步 I/O 的提出是期望 I/O 的調(diào)用不會(huì)阻塞后續(xù)程序的執(zhí)行，將原有等待 I/O 完成的這段時(shí)間分配給其余需要的業(yè)務(wù)去執(zhí)行。要達(dá)到這個(gè)目的，就需要用到非阻塞 I/O。

阻塞 I/O 是 CPU 在發(fā)起 I/O 調(diào)用后，會(huì)一直阻塞，等待 I/O 完成。知道了阻塞 I/O，非阻塞 I/O 就很好理解了，CPU 在發(fā)起 I/O 調(diào)用后會(huì)立即返回，而不是阻塞等待，在 I/O 完成之前，CPU 可以處理其他事務(wù)。顯然，相比于阻塞 I/O，非阻塞 I/O 多于性能的提升是很明顯的。

那么，既然使用了非阻塞 I/O，CPU 在發(fā)起 I/O 調(diào)用后可以立即返回，那它是如何知道 I/O 完成的呢？答案是輪詢。

為了及時(shí)獲取 I/O 調(diào)用的狀態(tài)，CPU 會(huì)不斷重復(fù)調(diào)用 I/O 操作來確認(rèn) I/O 是否已經(jīng)完成，這種重復(fù)調(diào)用判斷操作是否完成的技術(shù)就叫做輪詢。

顯然，輪詢會(huì)讓 CPU 不斷重復(fù)地執(zhí)行狀態(tài)判斷，是對(duì) CPU 資源的浪費(fèi)。并且，輪詢的間間隔很難控制，如果間隔太長，I/O 操作的完成得不到及時(shí)的響應(yīng)，間接降低應(yīng)用程序的響應(yīng)速度；如果間隔太短，難免會(huì)讓 CPU 花在輪詢的耗時(shí)變長，降低 CPU 資源的利用率。

因此，輪詢雖然滿足了非阻塞 I/O 不會(huì)阻塞后續(xù)程序的執(zhí)行的要求，但是對(duì)于應(yīng)用程序而言，它仍然只能算是一種同步，因?yàn)閼?yīng)用程序仍然需要等待 I/O 完全返回，依舊花費(fèi)了很多時(shí)間來等待。

我們所期望的完美的異步 I/O，應(yīng)該是應(yīng)用程序發(fā)起非阻塞調(diào)用，無須通過輪詢的方式不斷查詢 I/O 調(diào)用的狀態(tài)，而是可以直接處理下一個(gè)任務(wù)，在 I/O 完成后通過信號(hào)量或回調(diào)將數(shù)據(jù)傳遞給應(yīng)用程序即可。

如何實(shí)現(xiàn)這種異步 I/O 呢？答案是線程池。

雖然本文一直提到，Node 是單線程執(zhí)行的，但此處的單線程是指 JavaScript 代碼是執(zhí)行在單線程上的，對(duì)于 I/O 操作這類與主業(yè)務(wù)邏輯無關(guān)的部分，通過運(yùn)行在其他線程的方式實(shí)現(xiàn)，并不會(huì)影響或阻塞主線程的運(yùn)行，反而可以提高主線程的執(zhí)行效率，實(shí)現(xiàn)異步 I/O。

通過線程池，讓主線程僅進(jìn)行 I/O 的調(diào)用，讓其他多個(gè)線程進(jìn)行阻塞 I/O 或者非阻塞 I/O 加輪詢技術(shù)完成數(shù)據(jù)獲取，再通過線程之間的通信將 I/O 得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞，這就輕松實(shí)現(xiàn)了異步 I/O：

主線程進(jìn)行 I/O 調(diào)用，而線程池進(jìn)行 I/O 操作，完成數(shù)據(jù)的獲取，然后通過線程之間的通信將數(shù)據(jù)傳遞給主線程，即可完成一次 I/O 的調(diào)用，主線程再利用回調(diào)函數(shù)，將數(shù)據(jù)暴露給用戶，用戶再利用這些數(shù)據(jù)來完成業(yè)務(wù)邏輯層面的操作，這就是 Node 中一次完整的異步 I/O 流程。而對(duì)于用戶來說，不必在意底層這些繁瑣的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，只需要調(diào)用 Node 封裝好的異步 API，并傳入處理業(yè)務(wù)邏輯的回調(diào)函數(shù)即可，如下所示：

const fs = require("fs");

fs.readFile('example.js', (data) => {
  // 進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯的處理
});

Node 的異步底層實(shí)現(xiàn)機(jī)制在不同平臺(tái)下有所不同：Windows 下主要通過 IOCP 來向系統(tǒng)內(nèi)核發(fā)送 I/O 調(diào)用和從內(nèi)核獲取已完成的 I/O 操作，配以事件循環(huán)，以此完成異步 I/O 的過程；Linux 下通過 epoll 實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程；FreeBSD下通過 kqueue 實(shí)現(xiàn)，Solaris 下通過 Event ports 實(shí)現(xiàn)。線程池在 Windows 下由內(nèi)核（IOCP）直接提供，*nix 系列則由 libuv 自行實(shí)現(xiàn)。

由于 Windows 平臺(tái)和 *nix 平臺(tái)的差異，Node 提供了 libuv 作為抽象封裝層，使得所有平臺(tái)兼容性的判斷都由這一層來完成，保證上層的 Node 與下層的自定義線程池及 IOCP 之間各自獨(dú)立。Node 在編譯期間會(huì)判斷平臺(tái)條件，選擇性編譯 unix 目錄或是 win 目錄下的源文件到目標(biāo)程序中：

以上就是 Node 對(duì)異步的實(shí)現(xiàn)。

（線程池的大小可以通過環(huán)境變量 UV_THREADPOOL_SIZE 設(shè)置，默認(rèn)值為 4，用戶可結(jié)合實(shí)際情況來調(diào)整這個(gè)值的大小。）

那么問題來了，在得到線程池傳遞過來的數(shù)據(jù)后，主線程是如何、何時(shí)調(diào)用回調(diào)函數(shù)的呢？答案是事件循環(huán)。

基于事件循環(huán)的異步編程模型

既然使用回調(diào)函數(shù)來進(jìn)行對(duì) I/O 數(shù)據(jù)的處理，就必然涉及到何時(shí)、如何調(diào)用回調(diào)函數(shù)的問題。在實(shí)際開發(fā)中，往往會(huì)涉及到多個(gè)、多類異步 I/O 調(diào)用的場(chǎng)景，如何合理安排這些異步 I/O 回調(diào)的調(diào)用，確保異步回調(diào)的有序進(jìn)行是一個(gè)難題，而且，除了異步 I/O 之外，還存在定時(shí)器這類非 I/O 的異步調(diào)用，這類 API 實(shí)時(shí)性強(qiáng)，優(yōu)先級(jí)相應(yīng)地更高，如何實(shí)現(xiàn)不同優(yōu)先級(jí)回調(diào)地調(diào)度呢？

因此，必須存在一個(gè)調(diào)度機(jī)制，對(duì)不同優(yōu)先級(jí)、不同類型的異步任務(wù)進(jìn)行協(xié)調(diào)，確保這些任務(wù)在主線程上有條不紊地運(yùn)行。與瀏覽器一樣，Node 選擇了事件循環(huán)來承擔(dān)這項(xiàng)重任。

Node 根據(jù)任務(wù)的種類和優(yōu)先級(jí)將它們分為七類：Timers、Pending、Idle、Prepare、Poll、Check、Close。對(duì)于每類任務(wù)，都存在一個(gè)先進(jìn)先出的任務(wù)隊(duì)列來存放任務(wù)及其回調(diào)（Timers 是用小頂堆存放）?；谶@七個(gè)類型，Node 將事件循環(huán)的執(zhí)行分為如下七個(gè)階段：

timers

這個(gè)階段的執(zhí)行優(yōu)先級(jí)是最高的。

事件循環(huán)在這個(gè)階段會(huì)檢查存放定時(shí)器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（最小堆），對(duì)其中的定時(shí)器進(jìn)行遍歷，逐個(gè)比較當(dāng)前時(shí)間和過期時(shí)間，判斷該定時(shí)器是否過期，如果過期的話，就將該定時(shí)器的回調(diào)函數(shù)取出并執(zhí)行。

pending

該階段會(huì)執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)、IO 等異常時(shí)的回調(diào)。一些 *nix 上報(bào)的錯(cuò)誤，在這個(gè)階段會(huì)得到處理。另外，一些應(yīng)該在上輪循環(huán)的 poll 階段執(zhí)行的 I/O 回調(diào)會(huì)被推遲到這個(gè)階段執(zhí)行。

idle、prepare

這兩個(gè)階段僅在事件循環(huán)內(nèi)部使用。

poll

檢索新的 I/O 事件；執(zhí)行與 I/O 相關(guān)的回調(diào)（除了關(guān)閉回調(diào)、定時(shí)器調(diào)度的回調(diào)和 之外幾乎所有回調(diào)setImmediate()）；節(jié)點(diǎn)會(huì)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候阻塞在這里。

poll，即輪詢階段是事件循環(huán)最重要的階段，網(wǎng)絡(luò) I/O、文件 I/O 的回調(diào)都主要在這個(gè)階段被處理。該階段有兩個(gè)主要功能：

• 計(jì)算該階段應(yīng)該阻塞和輪詢 I/O 的時(shí)間。

• 處理 I/O 隊(duì)列中的回調(diào)。

當(dāng)事件循環(huán)進(jìn)入 poll 階段并且沒有設(shè)置定時(shí)器時(shí)：

• 如果輪詢隊(duì)列不為空，則事件循環(huán)將遍歷該隊(duì)列，同步地執(zhí)行它們，直到隊(duì)列為空或達(dá)到可執(zhí)行的最大數(shù)量。

• 如果輪詢隊(duì)列為空，則會(huì)發(fā)生另外兩種情況之一：

  • 如果有 setImmediate() 回調(diào)需要執(zhí)行，則立即結(jié)束 poll 階段，并進(jìn)入 check 階段以執(zhí)行回調(diào)。

  • 如果沒有 setImmediate() 回調(diào)需要執(zhí)行，事件循環(huán)將停留在該階段以等待回調(diào)被添加到隊(duì)列中，然后立即執(zhí)行它們。在超時(shí)時(shí)間到達(dá)前，事件循環(huán)會(huì)一直停留等待。之所以選擇停留在這里是因?yàn)?Node 主要是處理 IO 的，這樣可以更及時(shí)地響應(yīng) IO。

一旦輪詢隊(duì)列為空，事件循環(huán)將檢查已達(dá)到時(shí)間閾值的定時(shí)器。如果有一個(gè)或多個(gè)定時(shí)器達(dá)到時(shí)間閾值，事件循環(huán)將回到 timers 階段以執(zhí)行這些定時(shí)器的回調(diào)。

check

該階段會(huì)依次執(zhí)行 setImmediate() 的回調(diào)。

close

該階段會(huì)執(zhí)行一些關(guān)閉資源的回調(diào)，如 socket.on('close', ...)。該階段晚點(diǎn)執(zhí)行也影響不大，優(yōu)先級(jí)最低。

當(dāng) Node 進(jìn)程啟動(dòng)時(shí)，它會(huì)初始化事件循環(huán)，執(zhí)行用戶的輸入代碼，進(jìn)行相應(yīng)異步 API 的調(diào)用、計(jì)時(shí)器的調(diào)度等等，然后開始進(jìn)入事件循環(huán)：

   ┌───────────────────────────┐
┌─>│           timers          │
│  └─────────────┬─────────────┘
│  ┌─────────────┴─────────────┐
│  │     pending callbacks     │
│  └─────────────┬─────────────┘
│  ┌─────────────┴─────────────┐
│  │       idle, prepare       │
│  └─────────────┬─────────────┘      ┌───────────────┐
│  ┌─────────────┴─────────────┐      │   incoming:   │
│  │           poll            │<─────┤  connections, │
│  └─────────────┬─────────────┘      │   data, etc.  │
│  ┌─────────────┴─────────────┐      └───────────────┘
│  │           check           │
│  └─────────────┬─────────────┘
│  ┌─────────────┴─────────────┐
└──┤      close callbacks      │
   └───────────────────────────┘

事件循環(huán)的每一輪循環(huán)（通常被稱為 tick），會(huì)按照如上給定的優(yōu)先級(jí)順序進(jìn)入七個(gè)階段的執(zhí)行，每個(gè)階段會(huì)執(zhí)行一定數(shù)量的隊(duì)列中的回調(diào)，之所以只執(zhí)行一定數(shù)量而不全部執(zhí)行完，是為了防止當(dāng)前階段執(zhí)行時(shí)間過長，避免下一個(gè)階段得不到執(zhí)行。

OK，以上就是事件循環(huán)的基本執(zhí)行流程?，F(xiàn)在讓我們來看另外一個(gè)問題。

對(duì)于以下這個(gè)場(chǎng)景：

const server = net.createServer(() => {}).listen(8080);

server.on('listening', () => {});

當(dāng)服務(wù)成功綁定到 8000 端口，即 listen() 成功調(diào)用時(shí)，此時(shí) listening 事件的回調(diào)還沒有綁定，因此端口成功綁定后，我們所傳入的 listening 事件的回調(diào)并不會(huì)執(zhí)行。

再思考另外一個(gè)問題，我們?cè)陂_發(fā)中可能會(huì)有一些需求，如處理錯(cuò)誤、清理不需要的資源等等優(yōu)先級(jí)不是那么高的任務(wù)，如果以同步的方式執(zhí)行這些邏輯，就會(huì)影響當(dāng)前任務(wù)的執(zhí)行效率；如果以異步的方式，比如以回調(diào)的形式傳入 setImmediate() 又無法保證它們的執(zhí)行時(shí)機(jī)，實(shí)時(shí)性不高。那么要如何處理這些邏輯呢？

基于這幾個(gè)問題，Node 參考了瀏覽器，也實(shí)現(xiàn)了一套微任務(wù)的機(jī)制。在 Node 中，除了調(diào)用 new Promise().then() 所傳入的回調(diào)函數(shù)會(huì)被封裝成微任務(wù)外，process.nextTick() 的回調(diào)也會(huì)被封裝成微任務(wù)，并且后者的執(zhí)行優(yōu)先級(jí)比前者高。

有了微任務(wù)后，事件循環(huán)的執(zhí)行流程又是怎么樣的呢？換句話說，微任務(wù)的執(zhí)行時(shí)機(jī)在什么時(shí)候？

• 在 node 11 及 11 之后的版本，一旦執(zhí)行完一個(gè)階段里的一個(gè)任務(wù)就立刻執(zhí)行微任務(wù)隊(duì)列，清空該隊(duì)列。

• 在 node11 之前執(zhí)行完一個(gè)階段后才開始執(zhí)行微任務(wù)。

因此，有了微任務(wù)后，事件循環(huán)的每一輪循環(huán)，會(huì)先執(zhí)行 timers 階段的一個(gè)任務(wù)，然后按照先后順序清空 process.nextTick() 和 new Promise().then() 的微任務(wù)隊(duì)列，接著繼續(xù)執(zhí)行 timers 階段的下一個(gè)任務(wù)或者下一個(gè)階段，即 pending 階段的一個(gè)任務(wù)，按照這樣的順序以此類推。

利用 process.nextTick()，Node 就可以解決上面的端口綁定問題：在 listen() 方法內(nèi)部，listening 事件的發(fā)出會(huì)被封裝成回調(diào)傳入 process.nextTick() 中，如下偽代碼所示：

function listen() {
    // 進(jìn)行監(jiān)聽端口的操作
    ...
    // 將 `listening` 事件的發(fā)出封裝成回調(diào)傳入 `process.nextTick()` 中
    process.nextTick(() => {
        emit('listening');
    });
};

在當(dāng)前代碼執(zhí)行完畢后便會(huì)開始執(zhí)行微任務(wù)，從而發(fā)出 listening 事件，觸發(fā)該事件回調(diào)的調(diào)用。

一些注意事項(xiàng)

由于異步本身的不可預(yù)知性和復(fù)雜性，在使用 Node 提供的異步 API 的過程中，盡管我們已經(jīng)掌握了事件循環(huán)的執(zhí)行原理，但是仍可能會(huì)有一些不符合直覺或預(yù)期的現(xiàn)象產(chǎn)生。

比如定時(shí)器（setTimeout、setImmediate）的執(zhí)行順序會(huì)因?yàn)檎{(diào)用它們的上下文而有所不同。如果兩者都是從頂層上下文中調(diào)用的，那么它們的執(zhí)行時(shí)間取決于進(jìn)程或機(jī)器的性能。

我們來看以下這個(gè)例子：

setTimeout(() => {
  console.log('timeout');
}, 0);

setImmediate(() => {
  console.log('immediate');
});

以上代碼的執(zhí)行結(jié)果是什么呢？按照我們剛才對(duì)事件循環(huán)的描述，你可能會(huì)有這樣的答案：由于 timers 階段會(huì)比 check 階段先執(zhí)行，因此 setTimeout() 的回調(diào)會(huì)先執(zhí)行，然后再執(zhí)行 setImmediate() 的回調(diào)。

實(shí)際上，這段代碼的輸出結(jié)果是不確定的，可能先輸出 timeout，也可能先輸出 immediate。這是因?yàn)檫@兩個(gè)定時(shí)器都是在全局上下文中調(diào)用的，當(dāng)事件循環(huán)開始運(yùn)行并執(zhí)行到 timers 階段時(shí)，當(dāng)前時(shí)間可能大于 1 ms，也可能不足 1 ms，具體取決于機(jī)器的執(zhí)行性能，因此 setTimeout() 在第一個(gè) timers 階段是否會(huì)被執(zhí)行實(shí)際上是不確定的，因此才會(huì)出現(xiàn)不同的輸出結(jié)果。

（當(dāng) delay（setTimeout 的第二個(gè)參數(shù)）的值大于 2147483647 或小于 1 時(shí)， delay 會(huì)被設(shè)置為 1。）

我們接著看下面這段代碼：

const fs = require('fs');

fs.readFile(__filename, () => {
  setTimeout(() => {
    console.log('timeout');
  }, 0);
  setImmediate(() => {
    console.log('immediate');
  });
});

可以看到，在這段代碼中兩個(gè)定時(shí)器都被封裝成回調(diào)函數(shù)傳入 readFile 中，很明顯當(dāng)該回調(diào)被調(diào)用時(shí)當(dāng)前時(shí)間肯定大于 1 ms 了，所以 setTimeout 的回調(diào)會(huì)比 setImmediate 的回調(diào)先得到調(diào)用，因此打印結(jié)果為：timeout immediate。

以上是在使用 Node 時(shí)需要注意的與定時(shí)器相關(guān)的事項(xiàng)。除此之外，還需注意 process.nextTick() 與 new Promise().then() 還有 setImmediate() 的執(zhí)行順序，由于這部分比較簡單，前面已經(jīng)提到過，就不再贅述了。

總結(jié)

文章開篇從為什么要異步、如何實(shí)現(xiàn)異步兩個(gè)角度出發(fā)，較詳細(xì)地闡述了 Node 事件循環(huán)的實(shí)現(xiàn)原理，并提到一些需要注意的相關(guān)事項(xiàng)，希望對(duì)你有所幫助。

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參考資料

• The Node.js Event Loop, Timers, and process.nextTick()。

• 《深入淺出 Node.js》第 3 章。

到此這篇關(guān)于Node異步和事件循環(huán)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Node異步和事件循環(huán)內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！