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浅谈Node.js单线程模型

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 ( Event Loop )

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: 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,我们用代码来描述这个实现过程:

【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:

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() 就是在队列尾部插入一个元素,pop() 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: 

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,所以我们还要定义一个函数来循环事件队列: 

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】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:

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JS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,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,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  

 

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

posted @ 2017-07-10 01:48 一像素 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏