面试官问：Node 与底层之间如何执行异步 I/O 调用

本文你能学到：

• Node.js 与底层之间是如何执行异步I/O调用的？和事件循环怎么联系上的呢？
• 为何说 Node 高性能，Node 的异步I/O 对高性能助力了什么？
• Node 的事件循环，你对事件怎么理解？

看完本文后，你应该能更好的去理解事件循环，知道事件是怎么来的，Node 究竟执行异步I/O调用。若是面试官再问事件循环还有Node与底层之间如何执行异步I/O，我以为你把本文的流程说清楚，应该能加分！本文对事件循环中的具体步骤没有详细讲解，每一个步骤看官方文档更佳。

理解本文先要学习的几个概念

Node.js 模块分类

nodejs模块能够分为下面三类：

• 核心模块(native模块)：包含在 Node.js 源码中，被编译进 Node.js 可执行二进制文件 JavaScript 模块，其实也就是lib和deps目录下的js文件，好比经常使用的http,fs等等。
• 内建模块(built-in模块)：通常咱们不直接调用，而是在 native 模块中调用，而后咱们再require。
• 第三方模块：非 Node.js 源码自带的模块均可以统称第三方模块，好比 express，webpack 等等。
  • JavaScript 模块，这是最多见的，咱们开发的时候通常都写的是 JavaScript 模块
  • JSON 模块，这个很简单，就是一个 JSON 文件
  • C/C++ 扩展模块，使用 C/C++ 编写，编译以后后缀名为 .node

好比 Node 源码lib目录下的 fs.js 就是 native 模块，而fs.js调用的 src 目录下的 node_fs.cc 就是内建模块。

libuv

Libuv是一个高性能的，事件驱动的异步I/O库，它自己是由C语言编写的，具备很高的可移植性。libuv封装了不一样平台底层对于异步IO模型的实现，libuv 的 API 包含有时间，非阻塞的网络，异步文件操做，子进程等等，因此它还自己具有着Windows, Linux均可使用的跨平台能力。

经典libuv图(来源网上)

IOCP

概念:输入输出完成端口（Input/Output Completion Port，IOCP）, 是支持多个同时发生的异步I/O操做的应用程序编程接口，在Windows NT的3.5版本之后，或AIX5版之后或Solaris第十版之后，开始支持。

我直接这么说概念你可能也不太懂。能够暂时知道 Windows 下注意经过 IOCP 来向系统内核发送 I/O 调用和从内核获取已完成的 I/O 操做，配以事件循环，完成异步I/O的过程。在 linux 下经过 epoll 实现这个过程，也就是由 libuv 自行实现。

IOCP 的另外一个应用场景在以前Node.js进程与线程那篇文章也有写过。Mater 和 app worker 进程通讯使用到。

线程池

线程池，是一种线程的使用模式，它为了下降线程使用中频繁的建立和销毁所带来的资源消耗与代价。 经过建立必定数量的线程，让他们时刻准备就绪等待新任务的到达，而任务执行结束以后再从新回来继续待命。

这就是线程池最核心的设计思路，「复用线程，平摊线程的建立与销毁的开销代价」。

本文使用到线程池的地方:在 Node 中，不管是 *nix 仍是 Window 平台。内部完成 I/O 任务的都有用到线程池。

libuv 目前使用了一个全局的线程池，全部的循环均可以往其中加入任务。目前有三种操做会在这个线程池中执行：

• 文件系统操做

• DNS 函数（getaddrinfo 和 getnameinfo）

• 经过 uv_queue_work() 添加的用户代码

Node 与底层之间的异步I/O调用流程

对比图中两段经典api代码(server.listen和fs.open，选择两种api的缘由：网络 I/O 表明和文件 I/O 表明)和以前 libuv 图片，咱们来一块儿理解异步I/O调用流程

上图展现了libuv细节的流程，图中代码很简单，包括2个部分：

1. server.listen() 是用来建立 TCP server 时，一般放在最后一步执行的代码。主要指定服务器工做的端口以及回调函数。

2. fs.open() 是用异步的方式打开一个文件。

选择两个示例很简单，由于 libuv 架构图可视：libuv 对 Network I/O和 File I/O 采用不一样的机制。

上图右半部分，主要分红两个部分：

1. 主线程：主线程也是 node 启动时执行的现成。node 启动时，会完成一系列的初始化动做，启动 V8 engine，进入下一个循环。

2. 线程池：线程池的数量能够经过环境变量 UV_THREADPOOL_SIZE 配置，最大不超过 128 个，默认为 4 个。

在Node.js 中经典的代码调用方式：都是从 JavaScript 调用 Node 核心模块，核心模块调用 C++ 内建模块，内建模块经过 libuv 进行系统调用。请记住这段话

事件循环

不论是server.listen仍是fs.open，他们在开启一个 node 服务(进程)的时候，Node会建立一个while(true)的循环，这个循环就是事件循环。每执行一次循环体的过程，咱们称之为Tick。每一个Tick的过程就是查看是否有事件待处理，若是有，就取出事件及其相关的回调函数。若是存在关联的回调函数，就执行。而后进入下一个循环，若是再也不有事件处理，退出进程。

这里咱们知道事件循环已经建立了，上面加粗字体查看是否有事件待处理，去哪里查看？事件怎么进入事件循环的？什么状况会产生事件继续往下看。

底层调用与事件产生

继续看这张图，讲解一下事件产生基本流程，（注意网络I/O和文件I/O会有一些不一样）这里对c++代码调用简单提一下，有兴趣的小伙伴能够继续深刻研究。

File I/O

（这里就用到了文初提到的模块分类知识）先是 javascript 代码，而后调用 lib/fs.js 核心模块代码 fs.open ，核心模块调用 C++ 内建模块 src/node_file.cc，内建模块c++代码会有一个平台判断，而后经过 libuv 进行系统调用。

从前面到达 libuv ，会有一个参数，请求对象，也就是open函数前面整个流程传递进来的请求对象，它保存了全部状态，包括送入线程池等待执行以及I/O操做完毕后的回调处理。

请求对象组装完成后，送入 libuv 中建立的 I/O 线程池，线程池中的 I/O 操做完毕后，会将获取的结果存储到 req->result 属性上，而后通知某函数通知 IOCP ，告知当前对象操做已经完成。

在这整个过程当中，进程初期建立的事件循环中有一个 I/O 观察者，每次 Tick 的执行中，它会调用 IOCP 相关的方法检查线程池中是否有执行完成的请求，若是存在，会讲请求对象和以前绑定的 result 属性，加入到 I/O 观察者的队列中，而后将其看成事件处理。

看到这里，前面提到的**是否有事件待处理，去哪里查看？事件怎么进入事件循环的？**这两个问题是否是搞懂了。

文字配上图。更清晰！

Network I/O

V8 engine 执行从 server.listen() 开始，调用 builtin module Tcp_wrap 的过程。

在建立TCP连接的过程当中，libuv直接参与Tcp_wrap.cc函数中的 TCPWrap::listen() 调用uv_listen()开始到执行uv_io_start()结束。看起来很短暂的过程，实际上是相似linux kernel的中断处理机制。

uv_io_start()负载将 handle 插入处处理的water queue中。这样的好处是请求可以当即获得处理。中断处理机制里面的下半部分与数据处理操做类似，交由主线程去完成处理。

重要：虽然 libuv 的异步文件 I/O 操做是经过线程池实现的，可是网络 I/O 老是在单线程中执行的，注意最后仍是会把完成的内容做为事件加入事件循环，事件循环就和文件I/O相同了。

异步 I/O 助力 Node.js 高性能

传统的服务器模型

• 同步式: 同步的服务，一次只能处理一个请求，而且其他请求都处于等待状态。
• 每进程/每请求: 为每一个请求启动一个进程，这样能够处理多个请求，可是不具备扩展性，系统资源有限，开启太多进程不太合适
• 每线程/每请求: 为每一个请求启动一个线程来处理。尽管线程比进程轻量，可是每一个线程也都会占用必定内存，当大并发请求的时候，也会占用很大内存，致使服务器缓慢。

Node就不同了！

看了文章前面的内容，Node 经过事件驱动的方式处理请求，无需为每一个请求建立额外的对应线程，能够省掉建立线程和销毁线程的开销，同时操做系统在调度任务时由于线程较少，上下文切换的代价很低。这也是 Node.js 高性能之一

Nginx 目前也采用了和 Node 相同的事件驱动方式，有兴趣的也去了解下，不过 Nginx 采用 c 语言编写。

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参考

本文不少内容来自朴灵老师的 《深刻浅出Node.js》，这本书虽然出版好久了，给个人感受仍是越看越香,本身能够边看边扩展，推荐。

Libuv学习——文件处理 zhuanlan.zhihu.com/p/97789391

高性能异步 I/O 模型库 libuv 设计思路概述 blog.csdn.net/ababab12345…