Fork me on GitHub

浅析 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

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: 是跨平台的底层封装,实现了 事件循环、文件操作等,是 Node.js 实现异步的核心 。

无论是 Linux 平台还是 Windows 平台,Node.js 内部都是通过 线程池 来完成异步 I/O 操作的,而 LIBUV 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,下面我们用伪代码来描述一下这个实现过程 。

【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:

/**
 * 定义事件队列
 * 入队:push()
 * 出队:shift()
 * 空队列:length == 0
 */
globalEventQueue: []

我们利用数组来模拟队列结构:数组的第一个元素是队列的头部,数组的最后一个元素是队列的尾部,push() 就是在队列尾部插入一个元素,shift() 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: 

/**
 * 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   
    globalEventQueue.push(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】定义 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: 

/**
 * 事件循环主体,主线程择机执行
 * 循环遍历事件队列
 * 处理非IO任务
 * 处理IO任务
 * 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.globalEventQueue.length > 0){
        
        //从队列的头部拿出一个事件
        var event = this.globalEventQueue.shift();
        
        //如果是耗时任务
        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 {
            //非耗时任务处理后,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 I/O 任务,就交给线程池来处理,非 I/O 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:

/**
 * 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.globalEventQueue.push(event);
        
        //释放当前线程
        releaseThread(curThread)
    })
}

当 I/O 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 JavaScript 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,Node.js 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