Nodejs中異步I/O的示例分析

小編給大家分享一下Nodejs中異步I/O的示例分析，相信大部分人都還不怎么了解，因此分享這篇文章給大家參考一下，希望大家閱讀完這篇文章后大有收獲，下面讓我們一起去了解一下吧！

“異步”這個名詞其實在Node之前就已經誕生了。但是在絕大多數高級編程語言中，異步并不多見。在眾多高級語言或運行平臺中，將異步作為主要編程方式和設計理念的，Node是首個?！鞠嚓P推薦：《nodejs 教程》】

異步I/O、事件驅動和單線程構成了Node的基調，而Nginx與Node的事件驅動、異步I/O設計理念比較相近。Nginx采用純C編寫，性能表現(xiàn)非常優(yōu)異，具備面向客戶端管理連接的強大能力，但是它的背后依然受限于各種同步方式的編程語言。但Node是全方位的，既可以作為服務器端去處理客戶端帶來的大量并發(fā)請求，也能作為客戶端向網絡中的各個應用進行并發(fā)請求。

為什么要異步I/O

為什么異步I/O在Node中如此重要，這是因為Node面向網絡設計，在跨網絡的結構下，并發(fā)已經是現(xiàn)代編程中的標準配備了。

用戶體驗

《高性能JavaScript》中提到過，如果腳本的執(zhí)行時間超過100毫秒，用戶就會感到頁面卡頓，以為頁面停止響應。而在B/S模型中，網絡速度的限制給網頁的實時體驗造成很大的麻煩。

如果網頁臨時需要獲取一個資源，通過同步的方式獲取，那么JavaScript則需要等待資源完全從服務器端獲取后才能繼續(xù)執(zhí)行，這期間UI停頓，不響應用戶的交互行為。這樣用戶體驗將會極差。而采用異步請求，在下載資源期間，JavaScript和UI的執(zhí)行都不會處于等待狀態(tài)，可以繼續(xù)響應用戶的交互行為。

同理，前端通過異步可以消除掉UI阻塞現(xiàn)象，但是前端獲取資源的速度也取決于后端的響應速度。假如一個資源來自于兩個不同位置的數據的返回，第一個資源消耗M毫秒，第二個資源消耗N毫秒。如果采用同步的方式，獲取兩個資源消耗的的時間為M+N毫秒。而采用異步的方式，第一個資源的獲取并不會阻塞第二個資源的獲取，消耗的時間為max(M,N)。

隨著網站或應用不斷膨脹，M與N的值會線性增長，那么異步的性能將比同步更加優(yōu)越。

資源分配

假設業(yè)務場景中有一組互不相關的任務需要完成，有以下兩種主流的方法：

• 單線程串行一次執(zhí)行

• 多線程并行完成

如果創(chuàng)建多線程的開銷小于并行執(zhí)行，那么多線程是首選的，但是多線程在創(chuàng)建線程和執(zhí)行期線程上下文切換的開銷較大，而且多線程編程經常面臨鎖、狀態(tài)同步等問題。

單線程順序執(zhí)行任務的缺點在于性能，任意一個略慢的任務都會導致后續(xù)執(zhí)行代碼被阻塞。在計算機資源中，通常I/O與CPU計算之間是可以并行執(zhí)行的，但是同步的編程模型導致I/O的進行會讓后續(xù)任務等待，造成資源不能被更好的利用。

Node利用單線程，遠離多線程死鎖、狀態(tài)同步等問題；利用異步I/O，讓單線程遠離阻塞，更好的利用CPU。

異步I/O實現(xiàn)

異步I/O在Node中應用最為廣泛，但是它并不是Node的原創(chuàng)。

異步I/O與非阻塞I/O

對于計算機內核I/O而言，異步/同步和阻塞/非阻塞是兩碼事。

操作系統(tǒng)對于I/O只有兩種方式：阻塞和非阻塞。在調用阻塞I/O時，應用程序需要等待I/O完成才返回結果。

阻塞I/O的一個特點是調用之后一定要等到系統(tǒng)內核層面完成所有操作之后，調用才結束。阻塞I/O造成CPU等待I/O，浪費等待時間，CPU的處理能力不能得到充分利用。

為了提高性能，內核提供了非阻塞I/O。非阻塞I/O跟阻塞I/O的差別為調用之后會立即返回，非阻塞I/O返回之后，CPU的時間片可以用來處理其他事物，此時提升性能是明顯的，但是由于完成的I/O并沒有完成，立即返回的并不是業(yè)務層期望的數據，而僅僅是當前的調用狀態(tài)。

為了獲取完整的數據，應用程序需要重復調用I/O操作來確認是否完成。這種重復調用判斷操作是否完成的技術叫做輪詢。

現(xiàn)存的輪詢技術主要有read、select、poll、epoll和kqueue。這里只講一下epoll的輪詢原理。

epoll是Linux下效率最高的I/O事件通知機制，在進入輪詢的時候，如果沒有檢查到I/O事件，將會進行休眠，直到事件發(fā)生將它喚醒。它是真實利用了事件的通知、執(zhí)行回調的方式，而不是遍歷查詢，所以不會浪費CPU，執(zhí)行效率較高。

輪詢技術滿足了非阻塞I/O確保獲取完整數據的需求，但是對于程序而言，它仍然算是一種同步，因為應用程序仍然需要等待I/O完全返回，依舊花費了很多時間等待。等待期間，CPU要么用于遍歷文件描述符，要么用于休眠等待時間發(fā)生。

現(xiàn)實的異步I/O

通過讓部分線程進行阻塞I/O或者非阻塞I/O加輪詢技術來完成數據獲取，讓一個線程進行計算處理，通過線程之間的通信將I/O得到的數據進行傳遞，這就輕松實現(xiàn)了異步I/O（雖然這是模擬的）

但是最初，Node在*nix 平臺下采用了libeio配合libev實現(xiàn)I/O部分，實現(xiàn)了異步I/O。在Node v0.9.3中，自行實現(xiàn)了線程池來完成異步I/O。

而Windows下的IOCP在某種程度上提供了黎翔的異步I/O：調用異步方法，等待I/O完成之后的通知，執(zhí)行回調，用戶無需考慮輪詢。但是它的內部其實依然是線程池原理，不同之處在于這些線程池有系統(tǒng)內核接手管理。

由于Windows平臺和*nix平臺的差異，Node提供了libuv作為抽象封裝層，使得所有平臺兼容性的判斷都由這一層來完成，并保證上層的Node與下層的自定義線程池及IOCP之間個字獨立。

我們時常提到Node是單線程的，這里的單線程僅僅只是JavaScript執(zhí)行在單線程中。在Node中，無論是*nix還是Windows平臺，內部完成I/O任務的另有線程池。

Node的異步I/O

完成整個異步I/O環(huán)節(jié)的有事件循環(huán)、觀察者和請求對象等。

事件循環(huán)

事件循環(huán)是Node自身的執(zhí)行模型，正式它使得回調函數十分普遍。

在進程啟動時，Node便會創(chuàng)建一個類似于while(true)的循環(huán)，每執(zhí)行一次循環(huán)體的過程我們稱為Tick。每個Tick的過程就是查看是否有事件待處理，如果有就取出事件及其相關的回調函數。如果存在關聯(lián)的回調函數，就執(zhí)行他們。然后進入下個循環(huán)，如果不再有事件處理，就退出進程。

觀察者

每個事件循環(huán)中有一個或者多個觀察者，而判斷是否有事件要處理的過程就是向這些觀察者詢問是否有要處理的事件。

在Node中，事件主要來源于網絡請求、文件I/O等，這些時間對應的觀察者有文件I/O觀察者、網絡I/O觀察者等。觀察者將事件進行了分類。

事件循環(huán)是一個典型的生產者/消費者模型。異步I/O、網絡請求等則是事件的生產者，不斷為Node提供不同類型的事件，這些事件被傳遞到對應的觀察者那里，事件循環(huán)則從觀察者那里取出事件并處理。

請求對象

對于Node的異步I/O調用而言，回調函數不由開發(fā)者來調用。從JavaScript發(fā)起調用到內核執(zhí)行完I/O操作的過渡過程中，存在一種產物，叫做請求對象

下面用fs.open()方法作為一個小小的例子。

fs.open = function(path,flags,mode,callback){
    //...
    binding.open(pathModule._makeLong(path),
                    stringToFlags(flags),
                    mode,
                    callback);
}

fs.open()的作用是根據指定路徑和參數去打開一個文件，從而得到一個文件描述符，這是后續(xù)所有I/O操作的初試操作。JavaScript層面的代碼通過調用C++核心模塊進行下層的操作。

從事JavaScript調用Node的核心模塊，核心模塊調用C++模塊，內建模塊通過libuv進行系統(tǒng)調用，這里是Node里經典的調用方式。這里libuv作為封裝層，有兩個平臺的實現(xiàn)，實質上是調用了uv_fs_open()方法。在uv_fs_open()的調用過程中，將從JavaScript層傳入的參數和當前方法都封裝在一個請求對象中，回調函數則被設置在這個對象的屬性上。對象包裝完畢后，將對象推入線程池等待執(zhí)行。

至此，JavaScript調用立即返回，由JavaScript層面發(fā)起的異步調用的第一階段就此結束。JavaScript線程可以繼續(xù)執(zhí)行當前任務的后續(xù)操作。

請求對象是異步I/O過程中的重要中間產物，所有的狀態(tài)都保存在這個對象中，包括送入線程池等待執(zhí)行以及I/O操作完畢后的回調處理。

執(zhí)行回調

組裝好請求對象、送入I/O線程池等待執(zhí)行，只是完成一部I/O的第一部分，回調通知是第二部分。

線程池中的I/O操作調用完畢之后，會將獲取的結果存儲在req->result屬性上，然后調用PostQueueCompletionStatus()通知IOCP，告知當前對象操作已經完成。

至此，整個異步I/O的流程完全結束。

事件循環(huán)、觀察者、請求對象、I/O線程池這四者共同構成了Node異步I/O模型的基本要素。

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