浅析 Node.js 单线程模型

https://blog.csdn.net/THMAIL/article/details/79025279

总结笔记:对于每个用户请求,由主线程接收并存放于一个事件队列中(不做任何处理),当无请求发生时,即主线程空闲,主线程开始循环处理事件队列中的任务:


对于非阻塞JS程序:

1、若某事件需要I/O操作,则主线程发出I/O请求,然后继续执行,由底层的程序实现I/O并返回I/O数据(底层程序是多线程的,JS是单线程的),底层I/O线程处理完后将该事件重新放入事件队列并释放当前线程;

2、某事件不需要I/O操作,则主线程直接处理;(由其他线程处理后放入的事件此时也被主线程直接处理掉);


对于阻塞JS程序:

1、若某事件需要I/O操作,则主线程发出I/O请求,然后等待I/O结束,由底层的程序实现I/O并返回I/O数据,主线程获得该事件所需数据后继续处理该事件;

2、某事件不需要I/O操作,则主线程直接处理;


综上可知,node.js由js解释程序和底层代码实现,JS代码是主线程,是单线程执行,而底层代码是多线程,可同时处理多个I/O请求,js中的阻塞与非阻塞代码只决定js在I/O时继不继续执行(当然,若阻塞执行,底层多线程也没啥用了),而底层会为每一个I/O请求创建一个线程;


注意:这只是对Node.js的一个分析,用来理解nodejs的线程模型而已,实际使用要具体问题具体分析,建议结合http://www.runoob.com/nodejs/nodejs-callback.html中的阻塞与非阻塞来学习,阻塞即只要一个主线程执行所有操作,当事件需要I/O操作则主线程等待I/O完成再继续执行,而非阻塞,即对事件处理使用了事件回调,此时,主线程将继续执行下一步的代码而不用等待该事件I/O完成,当I/O完成时主线程再针对该事件执行相应的回调函数;

例如:1、

var http = require('http');

http.createServer(function (request, response) {

    // 发送 HTTP 头部 
    // HTTP 状态值: 200 : OK
    // 内容类型: text/plain
    response.writeHead(200, {'Content-Type': 'text/plain'});

    // 发送响应数据 "Hello World"
    response.end('Hello World\n');
}).listen(8888);

// 终端打印如下信息
console.log('Server running at http://127.0.0.1:8888/');
该主线程只做三件事:1、侦听8888端口(侦听操作也可以理解为是I/O操作,因而应当也是由底层程序实现,即底层程序监听端口,若有事件,则放入事件队列,继续侦听端口); 2、JS主线程处理并生成返回数据; 3、返回处理结果(此步骤是I/O操作,由线程池处理);

2、

var fs = require("fs");

fs.readFile('input.txt', function (err, data) {
    if (err) return console.error(err);
    console.log(data.toString());
});

console.log("程序执行结束!");
该主线程在执行I/O时不等待I/O完成,直接继续执行,线程池线程执行完后将结果返还给主线程,主线程执行回调函数并处理事件;


正文


Node.js 采用事件驱动和异步 I/O 的方式,实现了一个单线程、高并发的 JavaScript 运行时环境,而单线程就意味着同一时间只能做一件事,那么 Node.js 如何通过单线程来实现高并发和异步 I/O?本文将围绕这个问题来探讨 Node.js 的单线程模型 。

1、高并发策略

一般来说,高并发的解决方案就是提供多线程模型,服务器为每个客户端请求分配一个线程,使用同步 I/O,系统通过线程切换来弥补同步 I/O 调用的时间开销。比如 Apache 就是这种策略,由于 I/O 一般都是耗时操作,因此这种策略很难实现高性能,但非常简单,可以实现复杂的交互逻辑。

而事实上,大多数网站的服务器端都不会做太多的计算,它们接收到请求以后,把请求交给其它服务来处理(比如读取数据库),然后等着结果返回,最后再把结果发给客户端。因此,Node.js 针对这一事实采用了单线程模型来处理,它不会为每个接入请求分配一个线程,而是用一个主线程处理所有的请求,然后对 I/O 操作进行异步处理,避开了创建、销毁线程以及在线程间切换所需的开销和复杂性。

2、事件循环

Node.js 在主线程里维护了一个事件队列,当接到请求后,就将该请求作为一个事件放入这个队列中,然后继续接收其他请求。当主线程空闲时(没有请求接入时),就开始循环事件队列,检查队列中是否有要处理的事件,这时要分两种情况:如果是非 I/O 任务,就亲自处理,并通过回调函数返回到上层调用;如果是 I/O 任务,就从 线程池 中拿出一个线程来处理这个事件,并指定回调函数,然后继续循环队列中的其他事件。

当线程中的 I/O 任务完成以后,就执行指定的回调函数,并把这个完成的事件放到事件队列的尾部,等待事件循环,当主线程再次循环到该事件时,就直接处理并返回给上层调用。 这个过程就叫 事件循环 (Event Loop),其运行原理如下图所示:

这个图是整个 Node.js 的运行原理,从左到右,从上到下,Node.js 被分为了四层,分别是 应用层V8引擎层Node API层 和 LIBUV层。

  • 应用层:   即 JavaScript 交互层,常见的就是 Node.js 的模块,比如 http,fs
  • V8引擎层:  即利用 V8 引擎来解析JavaScript 语法,进而和下层 API 交互
  • NodeAPI层:  为上层模块提供系统调用,一般是由 C 语言来实现,和操作系统进行交互 。
  • LIBUV层: 是跨平台的底层封装,实现了 事件循环、文件操作等,是 Node.js 实现异步的核心 。

无论是 Linux 平台还是 Windows 平台,Node.js 内部都是通过 线程池 来完成异步 I/O 操作的,而 LIBUV 针对不同平台的差异性实现了统一调用。因此,Node.js 的单线程仅仅是指 JavaScript 运行在单线程中,而并非 Node.js 是单线程。

3、事件驱动模型

Node.js 实现异步的核心是事件驱动,也就是说,它把每一个任务都当成 事件 来处理,然后通过 Event Loop 模拟了异步的效果,为了更具体、更清晰的理解和接受这个事实,下面我们用伪代码来描述一下这个实现过程 。

【1】定义事件队列

既然是队列,那就是一个先进先出 (FIFO) 的数据结构,我们用JS数组来描述,如下:

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/**
  * 定义事件队列
  * 入队:push()
  * 出队:shift()
  * 空队列:length == 0
  */
globalEventQueue: []

我们利用数组来模拟队列结构:数组的第一个元素是队列的头部,数组的最后一个元素是队列的尾部,push() 就是在队列尾部插入一个元素,shift() 就是从队列头部弹出一个元素。这样就实现了一个简单的事件队列。

【2】定义接收请求入口

每一个请求都会被拦截并进入处理函数,如下所示: 

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/**
  * 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: 

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/**
  * 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:

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/**
  * 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。

4、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。

5、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。

 

原创发布  by @一像素 2017.07  

 原文地址:https://www.cnblogs.com/onepixel/p/7143769.html

参考文献:

[1] Node.js软肋之CPU密集型任务

[2] nodejs笔记之:事件驱动,线程池,非阻塞,异常处理等

[3] Node.js机制及原理理解初步

[4]Node.js 回调函数

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