浅谈 Node.js 单线程模型

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作者：一像素

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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如何利用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

一般来说，高并发的解决方案就是多线程模型，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，它们只是接收请求，交给其它服务（比如从数据库读取数据），然后等着结果返回再发给客户端。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 在主线程中维护了一个事件队列，当接收到请求后，就将请求作为一个事件放入该队列中，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执行这个事件，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)，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被分成了四层，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： 即Event Loop，是Node.js实现异步的核心，由LIBUV库来实现，而LIBUV中的线程池是由操作系统内核接受管理的。

在Node中，无论是Linux平台还是Windows平台，内部都是通过线程池来完成IO操作的，而LIBUV就是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

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，我们用代码来描述这个实现过程：

【1】事件队列

首先，我们需要定义一个事件队列，既然是队列，那就是一个先进先出(FIFO)的数据结构，我们用JS的数组来描述，如下：

/**

* 定义事件队列

* 入队：unshfit()

* 出队：pop()

* 空队列：length == 0

*/

eventQueue:[],

为了方便理解，我们规定：数组的第一个元素是队列的尾部，数组的最后一个元素是队列的头部， unshfit 就是在尾部插入一个元素，pop就是从头部弹出一个元素，这样就实现了一个简单的队列。

【2】接收请求

定义一个总的入口来接收用户请求，如下所示：

/**

* 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  

    eventQueue.unshift(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】事件循环 ( Event Loop )

当主线程处于空闲时就开始循环事件队列，所以，我们再定义一个事件循环的函数：

/**

* 事件循环主体，主线程择机执行

* 循环遍历事件队列

* 处理事件

* 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.eventQueue.length > 0){

        

        //从队列的头部拿出一个事件

        var event = this.eventQueue.pop();

        

        //如果是IO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IO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IO任务就交给线程池来处理，非IO任务就自己处理并返回。

【4】线程池

线程池接到任务以后，直接处理IO操作，比如读取数据库：

/**

* 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.eventQueue.unshift(event);

        

        //释放当前线程

        releaseThread(curThread)

    })

}

当IO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 的主线程就是一个单线程，它接收请求后并没有直接做处理，而是放到了事件队列中，然后去接收其他请求了，空闲时再通过Event Loop来处理这些事件，从而实现了异步效果，当然对于IO类任务还要依赖于系统层面的线程池来处理。因此，我们可以简单理解为：Node.js本身是一个多线程平台，而它对JS层面的任务处理是单线程。

4、Node.js软肋

至此，我们对Node.js应该有了一个简单而又清晰的认识，但Node.js 并不是什么都能做。

上面提到，如果是I/O任务，Nodejs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，就是只用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，那么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/内核处理闲置状态，造成资源浪费。因此Node.js并不适合CPU密集型任务。

5、Node.js适用场景

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。

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。

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