聊聊Node中的异步实现与事件驱动

本篇文章带大家了解一下node中的异步实现与事件驱动，希望对大家有所帮助！

Node的特点

计算机中的一些任务一般可以划分为两个类别，一个类别叫做IO密集型，一个叫做计算密集型；对于计算密集型的任务，只能不断榨干CPU的性能，但是对于IO密集型的任务来说，理想情况下却并不需要，只需要通知IO设备进行处理，过一段时间再来拿去数据就好了。【相关教程推荐：nodejs视频教程 、编程视频】

对于某些场景有一些互不相关的任务需要完成，现行的主流方法有如下两种：

• 多线程并行完成：多线程的代价在于创建线程和执行线程上下文切换的开销较大。另外，在复杂的业务中，多线程编程经常面临锁、状态同步等问题；
• 单线程顺序执行：易于表达，但串行执行的缺点在于性能，任意一个略慢的任务都会导致后续代码被组设

node在两者之前给出了它的方案：利用单线程，远离多线程死锁、状态同步等问题；利用异步IO，让单线程远离阻塞，以更好地使用CPU

Node是如何实现异步的

刚才讲了node在多任务处理的方案，但是node内部想要实现却并不容易，下面介绍操作系统的几个概念，方面后续大家更好理解，后面再讲一讲异步的实现以及node的事件循环机制：

阻塞IO与非阻塞IO

• 阻塞IO：应用层面发起IO调用之后，就一直等待数据，等操作系统内核层面完成所有操作后，调用才结束；

操作系统中一切皆文件，输入输出设备同样被抽象为了文件，内核在执行IO操作时，通过文件描述符进行管理

• 非阻塞IO：差别为调用后立即返回一个文件描述符，并不等待，这时候CPU的时间片就可以用来处理其他事务，之后可以通过这个文件描述符进行结果的获取；

非阻塞IO存在的一些问题：虽然其让CPU的利用率提高了，但是由于立即返回的是一个文件描述符，我们并不知道IO操作什么时候完成，为了确认状态变更，我们只能作轮询操作

不同的轮询方法

• read ：最原始、性能最低的一种，通过重复检查IO状态来完成完整数据的获取
• select：通过对文件描述符上的事件状态来进行判断，相对来说消耗更少；缺点就是它采用了一个1024长度的数组来存储状态，所以它最多可以同时检查1024个文件描述符
• poll：由于select的限制，poll改进为链表的存储方式，其他的基本都一致；但是当文件描述符较多的时候，它的性能还是非常低下的
• eopll：该方案是linux下效率最高的IO事件通知机制，在进入轮询的时候如果没有检查IO事件，将会进行休眠，直到事件发生将它唤醒
• kqueue：与epoll类似，不过仅在FreeBSD系统下存在

尽管epoll利用了事件来降低对CPU的耗用，但休眠期间CPU几乎是闲置的；我们期待的异步IO应该是应用程序发起非阻塞调用，无须通过遍历或事件唤醒等方式轮询，可以直接处理下一个任务，只需IO完成后通过信号或者回调将数据传递给应用程序即可。

linux下还有中AIO方式就是通过信号或回调来传递数据的，不过只有Linux有，并且有限制无法利用系统缓存

node中对于异步IO的实现

先说结论，node对异步IO的实现是通过多线程实现的。可能会混淆的地方就是node内部虽然是多线程的，但是我们程序员开发的JavaScript代码却仅仅是运行在单线程上的。

node通过部分线程进行阻塞IO或者非阻塞IO加上轮询技术来完成数据获取，让一个线程进行计算处理，通过线程之间的通信将IO得到的数据进行传递，这就轻松实现了异步IO的模拟。

除了异步IO，计算机中的其他资源也适用，因为linux中一切皆文件，磁盘、硬件、套接字等几乎所有计算机资源都被抽象为了文件，接下来介绍对计算机资源的调用都以IO为例子。

事件循环

在进程启动时，node便会创建一个类似与while(true)的循环，每执行一次循环体的过程我们成为Tick；

下方为node中事件循环流程图：

很简单的一张图，简单解释一下：就是每次都从IO观察者里面获取执行完成的事件（是个请求对象，简单理解就是包含了请求中产生的一些数据），然后没有回调函数的话就继续取出下一个事件（请求对象），有回调就执行回调函数

异步IO细节

注：不同平台有不同的细节实现，这张图隐藏了相关平台兼容细节，比如windows下使用IOCP中的PostQueuedCompletionStatus()提交执行状态，通过GetQueuedCompletionStatus获取执行完成的请求，并且IOCP内部实现了线程池的细节，而linux等平台通过eopll实现这个过程，并在libuv下自实现了线程池

setTimtout与setInterval

除了IO等计算机资源需要异步调用之外，node本身还存在一些与异步IO无关的一些其他异步API：

• setTimeout
• setInterval
• setImmediate
• process.nextTick

该小节先讲解前面两个api

它们的实现原理与异步IO比较类似，只是不需要IO线程池的参与：

• setTimtout与setInterval创建的定时器会被插入到定时器观察者内部的一个红黑树中
• 每次tick执行的时候，会从该红黑树中迭代取出定时器对象，检查是否超过定时时间
• 如果超过，就将这个事件（请求对象）推入到事件队列中，在事件循环中执行其中的回调函数

红黑树：这里简单提一下，就是一种特殊化的平衡二叉树，可以自平衡，查找效率基本上就是该二叉树的深度了$O(log_2n)$

你有考虑过这个问题吗，为什么定时器不需要线程池的参与了呢，如果你理解了之前章节对于异步IO实现原理的话，相信你应该能解释出来，这里简单说说原因来加深记忆：

node中的IO线程池是用来调用IO并等待数据返回（看具体实现）的一种方式，它使JavaScript单线程得以异步调用IO，并且不需要等待IO执行完成（因为是IO线程池做了），并且能获取到最终的数据（通过观察者模式：IO观察者从线程池获取执行完成的事件，事件循环机制执行后续的回调函数）

上述这段话可能有点简略，如果你还不明白，可以看下之前的那几种图~

process.nextTick与setImmediate

这两个函数都是代表立即异步执行一个函数，那为什么不用setTimeout(() => { ... }, 0)来完成呢？

• 定时器精度不够
• 定时器使用红黑树来创建定时器对象和迭代操作，浪费性能
• 即process.nextTick更加轻量

轻量具体来说：我们在每次调用process.nextTick的时候，只会将回调函数放入队列中，在下一轮Tick时取出执行。定时器中采用红黑树的方式时$O(log_2n)$，nextTick为$O(1)$

那process.nextTick与setImmediate又有什么区别呢？毕竟它们都是将回调函数立即异步执行

• process.nextTick的回调执行优先级高于setImmediate
• process.nextTick的回调函数保存在一个数组中，每轮事件循环下全部执行，setImmediate的结果则是保存在链表中，每轮循环按序执行第一个回调

注意：之所以process.nextTick的回调执行优先级高于setImmediate，因为事件循环对观察者的检查是有顺序的，process.nextTick属于idle观察者，setImmediate属于check观察者。iedl观察者 > IO 观察者 > check观察者

高性能服务器

对于网络套接字的处理，node也应用到了异步IO，网络套接字上侦听到的请求都会形成事件交给IO观察者，事件循环会不停地处理这些网络IO事件，如果我们在JavaScrpt层面上有传入对应的回调函数，这些回调函数就会在事件循环中执行（处理这些网络请求）

常见的服务器模型：

• 同步式
• 每进程-->每请求
• 每线程-->每请求

而node采用的是事件驱动的方式处理这些请求，无需对每个请求创建额外的对应线程，可以省略掉创建线程和销毁线程的开销，同时操作系统的调度任务因为线程较少（只有node内部实现的一些线程）上下文切换的代价很低。

经典问题--雪崩问题的解决：

问题描述：服务器在刚启动时，缓存无数据，如果访问量巨大，同一条SQL会被发送到数据库中反复查询，影响性能。

解决方案：

const proxy = new events.EventEmitter();
let status = "ready"; // 状态锁，避免反复查询

const select = function(callback) {
    proxy.once("selected", callback);  // 绑定一个只执行一次名为selected的事件
    if(status === "ready") {
        status = "pending";
        // sql
        db.select("SQL", (res) => {
            proxy.emit("selected", res); // 触发事件,返回查询数据
            status = "ready";
        })
    }
}

使用once将所有请求的回调都压入了事件队列中，利用其只执行一次就会将监视器移除的特点，保证每一个回调函数只会被执行一次。对于相同的SQL语句，保证在同一个查询开始到结束的过程中永远只有一次。新到来的相同调用只需在队列中等待数据就绪即可，一旦查询到结果，得到的结果就可以被这些调用共同使用。

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