Node.js 机制及原理理解初步

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by

FeanLau
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Node.js 优缺点

Node.js 是单进程。

好处就是：

  1. 简单
  2. 高性能，避免了频繁的线程切换开销
  3. 占用资源小，因为是单线程，在大负荷情况下，对内存占用仍然很低
  4. 线程安全，没有加锁、解锁、死锁这些问题

反之，看 PHP

对比，Node.js 的处理：

坏处就是：

如何解决高并发？

node 使用异步 IO 和事件驱动（回调函数）来解决这个问题。

一般来说，高并发解决方案会提供多线程模型，为每个业务逻辑提供一个线程，通过系统线程切换来来弥补同步 I/O 调用的时间开销。像 apache，是一个请求一个线程。

而 node.js 使用的是单线程模型，对所有 I/O 都采用异步的请求方式，避免频繁的上下文切换，在 node.js 执行的时候维护着一个事件队列；程序在执行时进入事件循环等待下一个事件到来，每个异步 I/O 请求完成后都会被推送到事件队列中的等待执行。

比如说：

对于一个简单的数据库访问操作，传统方式是这样实现的：

res = db.query('SELECT * from some_table');  
res.output();

 代码执行到第一行的时候线程会阻塞，等待 query 返回结果，然后继续处理。由于数据库查询、磁盘读写、网络通信等原因（所谓的 I/O）阻塞时间会非常大（相对于 CPU 始终频率）。对于高并发的访问，一方面线程长期阻塞等待，另一方面为了应付新情求而不断添加新线程，会浪费大量系统资源，同时线程的增加也会也会占用大量的 CPU 时间来处理内存上下文切换。看看 node.js 怎么处理：

db.query('SELECT * from some_table', function(res) {   
   res.output();  
});

query 的第二个参数是一个回调函数，进程执行到 db.query 的时候不会等待结果返回，而是直接继续执行下面的语句，直到进入事件循环。当数据库执行结果返回的时候会将事件发送到事件队列，等到线程进入事件循环后才会调用之前的回调函数。

node.js 的异步机制是基于事件的，所有的 I/O、网络通信、数据库查询都以非阻塞的方式执行，返回结果由事件循环来处理。node.js 在同一时刻只会处理一个事件，完成后立即进入事件循环检查后面事件。这样 CPU 和内存在同一时间集中处理一件事，同时尽量让耗时的 I/O 等操作并行执行。

事件循环机制

所谓事件循环是指 node.js 会把所有的异步操作使用事件机制解决，有个线程在不断地循环检测事件队列。

node.js 中所有的逻辑都是事件的回调函数，所以 node.js 始终在事件循环中，程序入口就是事件循环第一个事件的回调函数。事件的回调函数中可能会发出 I/O 请求或直接发射（ emit）事件，执行完毕后返回事件循环。事件循环会检查事件队列中有没有未处理的事件，直到程序结束。node.js 的事件循环对开发者不可见，由 libev 库实现，libev 不断检查是否有活动的、可供检测的事件监听器，直到检查不到时才退出事件循环，程序结束。

如图所示：

 libuv 是一个高性能事件驱动的程序库，封装了 Windows 和 Unix 平台一些底层特性，为开发者提供了统一的 API.
因此，node.js 是单线程，异步非阻塞。

但毕竟，如何弥补单线程缺陷？是不是有异步非阻塞，就可以高枕无忧了？

不是的。

1）CPU 密集型任务存在短板

如上所述，nodejs 的机制是单线程，这个线程里面，有一个事件循环机制，处理所有的请求。如图所示。在事件处理过程中，它会智能地将一些涉及到 IO、网络通信等耗时比较长的操作，交由 worker threads 去执行，执行完了再回调，这就是所谓的异步 IO 非阻塞吧。但是，那些非 IO 操作，只用 CPU 计算的操作，它就自己扛了，比如算什么斐波那契数列之类。它是单线程，这些自己扛的任务要一个接着一个地完成，前面那个没完成，后面的只能干等。因此，对 CPU 要求比较高的 CPU 密集型任务多的话，就有可能会造成号称高性能，适合高并发的 node.js 服务器反应缓慢。

2）无法利用 CPU 的多核

最开始，线程只是用于分配单个处理器处理时间的一种机制。但假如操作系统本身支持多个 CPU / 内核，那么每个线程都可以得到一个不同自己的 CPU / 内核，实现真正的 “并行运算”。在这种情况下，多线程程序可以提高资源使用效率。Node.js 是单线程程序，它只有一个 event loop，也只占用一个 CPU / 内核。现在大部分服务器都是多 CPU 或多核的，当 Node.js 程序的 event loop 被 CPU 密集型的任务占用，导致有其它任务被阻塞时，却还有 CPU / 内核处于闲置的状态，造成资源的浪费。

解决方案

利用原生模块或第三方模块，开辟进程或子进程，用于处理这些特殊的任务。

3）如果有异常抛出，因为是单线程，整个项目将不可用。

但这归根到底是代码的问题，糟糕的代码，不管什么体系，都会有问题，即使不崩溃。解决办法是用 pm2 等工具来运行？

Nodejs 与 JavaScript 的关系

nodejs 本身不是开发语言，它是一个工具或者平台，在服务器端解释、运行 javascript；coffeescript 属于 nodejs 体系，算是一种新的开发语言，但它的目的在于最后编译成 javascript。

nodejs 利用 Google V8 来解释运行 javascript，但是系统真正执行的代码是用 C++ 写的。javascript 做的只是调用这些 API 而已。因此，并无执行效率的问题。

nodejs 适用场景

1、RESTful API

这是适合 Node 的理想情况，因为您可以构建它来处理数万条连接。它仍然不需要大量逻辑；它本质上只是从某个数据库中查找一些值并将它们组成一个响应。由于响应是少量文本，入站请求也是少量的文本，因此流量不高，一台机器甚至也可以处理最繁忙的公司的 API 需求。

2、实时程序

比如聊天服务

聊天应用程序是最能体现 Node.js 优点的例子：轻量级、高流量并且能良好的应对跨平台设备上运行密集型数据（虽然计算能力低）。同时，聊天也是一个非常值得学习的用例，因为它很简单，并且涵盖了目前为止一个典型的 Node.js 会用到的大部分解决方案。

3、单页 APP

ajax 很多。现在单页的机制似乎很流行，比如 phonegap 做出来的 APP，一个页面包打天下的例子比比皆是。

。。。

总而言之，NodeJS 适合运用在高并发、I/O 密集、少量业务逻辑的场景