nodejs 异步I/O和事件驱动

nodejs 异步I/O和事件驱动

注：本文是对众多博客的学习和总结，可能存在理解错误。请带着怀疑的眼光，同时若是有错误但愿能指出。

接触nodejs有两个月，对nodejs的两大特性一直有点模糊，即异步IO和事件驱动。经过对《深刻浅出nodejs》和几篇博客的阅读之后，有了大体的了解，总结一下。

几个例子

在开始以前，先来看几个简单例子，这也是我在使用nodejs时候遇到的几个比较困惑的例子。

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example 1

var fs = require("fs");
var debug = require('debug')('example1');

debug("begin");

setTimeout(function(){
    debug("timeout1");
});

setTimeout(function(){
    debug("timeout2");
});

debug('end');
/** 运行结果
Sat, 21 May 2016 08:41:09 GMT example1 begin
Sat, 21 May 2016 08:41:09 GMT example1 end
Sat, 21 May 2016 08:41:09 GMT example1 timeout1
Sat, 21 May 2016 08:41:09 GMT example1 timeout2
*/

question 1

为什么timeout1和timeout2的结果会在end后面？

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example 2

var fs = require("fs");
var debug = require('debug')('example2');

debug("begin");

setTimeout(function(){
    debug("timeout1");
});

setTimeout(function(){
    debug("timeout2");
});

debug('end');

while(true);
/**  运行结果
Sat, 21 May 2016 08:45:47 GMT example2 begin
Sat, 21 May 2016 08:45:47 GMT example2 end
*/

question 2

为什么timeout1和timeout2没有输出到终端？while(true)到底阻塞了什么？

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example 3

var fs = require("fs");
var debug = require('debug')('example3');

debug("begin");

setTimeout(function(){
    debug("timeout1");
    while (true);
});

setTimeout(function(){
    debug("timeout2");
});

debug('end');
/**  运行结果
Sat, 21 May 2016 08:49:12 GMT example3 begin
Sat, 21 May 2016 08:49:12 GMT example3 end
Sat, 21 May 2016 08:49:12 GMT example3 timeout1
*/

question 3

为何timeout1中回调函数会阻塞timeout2中的回调函数的执行？

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example 4

var fs = require("fs");
var debug = require('debug')('example4');

debug("begin");

setTimeout(function(){
    debug("timeout1");
    /**
     * 模拟计算密集
     */
    for(var i = 0 ; i < 1000000 ; ++i){
        for(var j = 0 ; j < 100000 ; ++j);
    }
});

setTimeout(function(){
    debug("timeout2");
});

debug('end');
/**
Sat, 21 May 2016 08:53:27 GMT example4 begin
Sat, 21 May 2016 08:53:27 GMT example4 end
Sat, 21 May 2016 08:53:27 GMT example4 timeout1
Sat, 21 May 2016 08:54:09 GMT example4 timeout2  //注意这里的时间晚了很久
*/

question 4

和上面的问题同样，为什么timeout1的计算密集型工做将会阻塞timeout2的回调函数的执行？

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example 5

var fs = require("fs");
var debug = require('debug')('example5');

debug("begin");

fs.readFile('package.json','utf-8',function(err,data){
    if(err)  
        debug(err);
    else
        debug("get file content");
});

setTimeout(function(){
    debug("timeout2");
});

debug('end');
/** 运行结果
Sat, 21 May 2016 08:59:14 GMT example5 begin
Sat, 21 May 2016 08:59:14 GMT example5 end
Sat, 21 May 2016 08:59:14 GMT example5 timeout2
Sat, 21 May 2016 08:59:14 GMT example5 get file content
*/

question 5

为什么读取文件的IO操做不会阻塞timeout2的执行？

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接下来咱们就带着上面几个疑惑去理解nodejs中的异步IO和事件驱动是如何工做的。

异步IO(asynchronous I/O)

首先来理解几个容易混淆的概念，阻塞IO(blocking I/O)和非阻塞IO(non-blocking I/O)，同步IO(synchronous I/O)和异步IO(synchronous I/O)。

博主一直天真的觉得非阻塞I/O就是异步I/O T_T，apue一直没有读懂。

阻塞I/O 和 非阻塞I/O

简单来讲，阻塞I/O就是当用户发一个读取文件描述符的操做的时候，进程就会被阻塞，直到要读取的数据所有准备好返回给用户，这时候进程才会解除block的状态。

那非阻塞I/O呢，就与上面的状况相反，用户发起一个读取文件描述符操做的时，函数当即返回，不做任何等待，进程继续执行。可是程序如何知道要读取的数据已经准备好了呢？最简单的方法就是轮询。

除此以外，还有一种叫作IO多路复用的模式，就是用一个阻塞函数同时监听多个文件描述符，当其中有一个文件描述符准备好了，就立刻返回，在linux下，select,poll,epoll都提供了IO多路复用的功能。

同步I/O 和 异步I/O

那么同步I/O和异步I/O又有什么区别么？是否是只要作到非阻塞IO就能够实现异步I/O呢？

其实否则。

• 同步I/O(synchronous I/O)作I/O operation的时候会将process阻塞,因此阻塞I/O，非阻塞I/O，IO多路复用I/O都是同步I/O。

• 异步I/O(asynchronous I/O)作I/O opertaion的时候将不会形成任何的阻塞。

非阻塞I/O都不阻塞了为何不是异步I/O呢？其实当非阻塞I/O准备好数据之后仍是要阻塞住进程去内核拿数据的。因此算不上异步I/O。

这里借一张图(图来自这里)来讲明他们之间的区别

][1]

更多IO更多的详细内容能够在这里找到:

• Linux IO模式及 select、poll、epoll详解

• select / poll / epoll: practical difference for system architects

事件驱动

事件驱动(event-driven)是nodejs中的第二大特性。何为事件驱动呢？简单来讲，就是经过监听事件的状态变化来作出相应的操做。好比读取一个文件，文件读取完毕，或者文件读取错误，那么就触发对应的状态，而后调用对应的回掉函数来进行处理。

线程驱动和事件驱动

那么线程驱动编程和事件驱动编程之间的区别是什么呢？

• 线程驱动就是当收到一个请求的时候，将会为该请求开一个新的线程来处理请求。通常存在一个线程池，线程池中有空闲的线程，会从线程池中拿取线程来进行处理，若是线程池中没有空闲的线程，新来的请求将会进入队列排队，直到线程池中空闲线程。

• 事件驱动就是当进来一个新的请求的时，请求将会被压入队列中，而后经过一个循环来检测队列中的事件状态变化，若是检测到有状态变化的事件，那么就执行该事件对应的处理代码，通常都是回调函数。

对于事件驱动编程来讲，若是某个时间的回调函数是计算密集型，或者是阻塞I/O,那么这个回调函数将会阻塞后面全部事件回调函数的执行。这一点尤其重要。

nodejs的事件驱动和异步I/O

事件驱动模型

上面介绍了那么多的概念，如今咱们来看看nodejs中的事件驱动和异步I/O是如何实现的.

nodejs是单线程(single thread)运行的，经过一个事件循环(event-loop)来循环取出消息队列(event-queue)中的消息进行处理,处理过程基本上就是去调用该消息对应的回调函数。消息队列就是当一个事件状态发生变化时，就将一个消息压入队列中。

nodejs的时间驱动模型通常要注意下面几个点：

• 由于是单线程的，因此当顺序执行js文件中的代码的时候，事件循环是被暂停的。

• 当js文件执行完之后，事件循环开始运行，并从消息队列中取出消息，开始执行回调函数

• 由于是单线程的，因此当回调函数被执行的时候，事件循环是被暂停的

• 当涉及到I/O操做的时候，nodejs会开一个独立的线程来进行异步I/O操做，操做结束之后将消息压入消息队列。

下面咱们从一个简单的js文件入手，来看看 nodejs是如何执行的。

var fs = require("fs");
var debug = require('debug')('example1');

debug("begin");

fs.readFile('package.json','utf-8',function(err,data){
    if(err)  
        debug(err);
    else
        debug("get file content");
});

setTimeout(function(){
    debug("timeout2");
});

debug('end'); // 运行到这里以前，事件循环是暂停的

1. 同步执行debug("begin")

2. 异步调用fs.readFile()，此时会开一个新的线程去进行异步I/O操做

3. 异步调用setTimeout()，立刻将超时信息压入到消息队列中

4. 同步调用debug("end")

5. 开启事件循环，弹出消息队列中的信息(目前是超时信息)

6. 而后执行信息对应的回调函数(事件循环又被暂停)

7. 回调函数执行结束后，开始事件循环(目前消息队列中没有任何东西，文件还没读完)

8. 异步I/O读取文件完毕，将消息压入消息队列(消息中含有文件内容或者是出错信息)

9. 事件循环取得消息，执行回调

10. 程序退出。

这里借一张图来讲明nodejs的事件驱动模型（图来自这里）
][2]

这里最后要说的一点就是如何手动将一个函数推入队列,nodejs为咱们提供了几个比较方便的方法:

• setTimeout()

• process.nextTick()

• setImmediate()

异步I/O

nodejs中的异步I/O的操做是经过libuv这个库来实现的，包含了window和linux下面的异步I/O实现，博主也没有研究过这个库，感兴趣的读者能够移步到这里

问题答案

好，到目前为止，已经能够回答上面的问题了

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question 1

为什么timeout1和timeout2的结果会在end后面？

answer 1

由于此时timeout1和timeout2只是被异步函数推入到了队列中，事件循环仍是暂停状态

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question 2

为什么timeout1和timeout2没有输出到终端？while(true)到底阻塞了什么？

answer 2

由于此处直接阻塞了事件循环，还没开始，就已经被阻塞了

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question 3,4

1. 为何timeout1中回调函数会阻塞timeout2中的回调函数的执行？

2. 为什么timeout1的计算密集型工做将会阻塞timeout2的回调函数的执行？

answer 3,4

由于该回调函数执行返回事件循环才会继续执行，回调函数将会阻塞事件循环的运行

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question 5

为什么读取文件的IO操做不会阻塞timeout2的执行？

answer 5

由于IO操做是异步的，会开启一个新的线程，不会阻塞到事件循环

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参考文献：

• What exactly is a Node.js event loop tick?

• What is the difference between a thread-based server and an event-based server?

• Some confusion about nodejs threads

• The JavaScript Event Loop: Explained

• poll vs select vs event-based

• Linux IO模式及 select、poll、epoll详解