nodeJS高级---->异步式 I/O与事件式编程

　　Node.js 最大的特点就是异步式 I/O（或者非阻塞 I/O）与事件紧密结合的编程模式。这种模式与传统的同步式 I/O 线性的编程思路有很大的不同，因为控制流很大程度上要靠事件和回调函数来组织，一个逻辑要拆分为若干个单元。以下的内容选自<<Node.js开发指南>>书籍。

异步式 I/O与事件式编程

一、阻塞与线程的区别

　　什么是阻塞（block）呢？线程在执行中如果遇到磁盘读写或网络通信（统称为 I/O 操作），通常要耗费较长的时间，这时操作系统会剥夺这个线程的 CPU 控制权，使其暂停执行，同时将资源让给其他的工作线程，这种线程调度方式称为 阻塞。当 I/O 操作完毕时，操作系统将这个线程的阻塞状态解除，恢复其对CPU的控制权，令其继续执行。这种 I/O 模式就是通常的同步式 I/O（Synchronous I/O）或阻塞式 I/O （Blocking I/O）。

　　相应地，异步式 I/O （Asynchronous I/O）或非阻塞式 I/O （Non-blocking I/O）则针对所有 I/O 操作不采用阻塞的策略。当线程遇到 I/O 操作时，不会以阻塞的方式等待 I/O 操作的完成或数据的返回，而只是将 I/O 请求发送给操作系统，继续执行下一条语句。当操作系统完成 I/O 操作时，以事件的形式通知执行 I/O 操作的线程，线程会在特定时候处理这个事件。为了处理异步 I/O，线程必须有事件循环，不断地检查有没有未处理的事件，依次予以处理。

　　阻塞模式下，一个线程只能处理一项任务，要想提高吞吐量必须通过多线程。而非阻塞模式下，一个线程永远在执行计算操作，这个线程所使用的 CPU 核心利用率永远是 100%，I/O 以事件的方式通知。在阻塞模式下，多线程往往能提高系统吞吐量，因为一个线程阻塞时还有其他线程在工作，多线程可以让 CPU 资源不被阻塞中的线程浪费。而在非阻塞模式下，线程不会被 I/O 阻塞，永远在利用 CPU。多线程带来的好处仅仅是在多核 CPU 的情况下利用更多的核，而Node.js的单线程也能带来同样的好处。这就是为什么 Node.js 使用了单线程、非阻塞的事件编程模式。

　　图3-3 和图3-4 分别是多线程同步式 I/O 与单线程异步式 I/O 的示例。假设我们有一项工作，可以分为两个计算部分和一个 I/O 部分，I/O 部分占的时间比计算多得多（通常都是这样）。如果我们使用阻塞 I/O，那么要想获得高并发就必须开启多个线程。而使用异步式 I/O时，单线程即可胜任。

　　

　　单线程事件驱动的异步式 I/O 比传统的多线程阻塞式 I/O 究竟好在哪里呢？简而言之，异步式 I/O 就是少了多线程的开销。对操作系统来说，创建一个线程的代价是十分昂贵的，需要给它分配内存、列入调度，同时在线程切换的时候还要执行内存换页，CPU 的缓存被清空，切换回来的时候还要重新从内存中读取信息，破坏了数据的局部性。当然，异步式编程的缺点在于不符合人们一般的程序设计思维，容易让控制流变得晦涩难懂，给编码和调试都带来不小的困难。习惯传统编程模式的开发者在刚刚接触到大规模的异步式应用时往往会无所适从，但慢慢习惯以后会好很多。尽管如此，异步式编程还是较为困难，不过可喜的是现在已经有了不少专门解决异步式编程问题的库。这个后续再说。下面表3-1比较了同步式 I/O 和异步式 I/O 的特点。

同步式 I/O（阻塞式）	异步式 I/O（非阻塞式）
利用多线程提供吞吐量	单线程即可实现高吞吐量
通过事件片分割和线程调度利用多核CPU	通过功能划分利用多核CPU
需要由操作系统调度多线程使用多核 CPU	可以将单进程绑定到单核 CPU
难以充分利用 CPU 资源	可以充分利用 CPU 资源
内存轨迹大，数据局部性弱	内存轨迹小，数据局部性强
符合线性的编程思维	不符合传统编程思维

二、nodejd中的回调函数

　　让我们看看在 Node.js 中如何用异步的方式读取一个文件，下面是一个例子：

//readfile.js
var fs = require('fs');
fs.readFile('file.txt', 'utf-8', function (err, data) {
    if (err) {
        console.error(err);
    } else {
        console.log(data);
    }
});
console.log('end.');

运行的结果如下：

end.
Contents of the file.

Node.js 也提供了同步读取文件的 API：

//readfilesync.js
var fs = require('fs');
var data = fs.readFileSync('file.txt', 'utf-8');
console.log(data);
console.log('end.');

运行的结果与前面不同，如下所示：

$ node readfilesync.js
Contents of the file.
end.

　　同步式读取文件的方式比较容易理解，将文件名作为参数传入 fs.readFileSync 函数，阻塞等待读取完成后，将文件的内容作为函数的返回值赋给 data 变量，接下来控制台输出 data 的值，最后输出 end. 。

　　异步式读取文件就稍微有些违反直觉了， end. 先被输出。要想理解结果，我们必须先知道在 Node.js 中，异步式 I/O 是通过回调函数来实现的。 fs.readFile 接收了三个参数，第一个是文件名，第二个是编码方式，第三个是一个函数，我们称这个函数为回调函数。JavaScript 支持匿名的函数定义方式，譬如我们例子中回调函数的定义就是嵌套在fs.readFile 的参数表中的。这种定义方式在 JavaScript 程序中极为普遍，与下面这种定义方式实现的功能是一致的：

//readfilecallback.js
function readFileCallBack(err, data) {
    if (err) {
        console.error(err);
    } else {
        console.log(data);
    }
}
var fs = require('fs');
fs.readFile('file.txt', 'utf-8', readFileCallBack);
console.log('end.');

　　fs.readFile 调用时所做的工作只是将异步式 I/O 请求发送给了操作系统，然后立即返回并执行后面的语句，执行完以后进入事件循环监听事件。当 fs 接收到 I/O 请求完成的事件时，事件循环会主动调用回调函数以完成后续工作。因此我们会先看到 end. ，再看到file.txt 文件的内容。

Node.js 中，并不是所有的 API 都提供了同步和异步版本。Node.js 不鼓励使用同步 I/O。

三、nodejs中的事件

　　Node.js 所有的异步 I/O 操作在完成时都会发送一个事件到事件队列。在开发者看来，事件由 EventEmitter 对象提供。前面提到的 fs.readFile 和 http.createServer 的回调函数都是通过 EventEmitter 来实现的。下面我们用一个简单的例子说明 EventEmitter的用法：

//event.js
var EventEmitter = require('events').EventEmitter;
var event = new EventEmitter();
event.on('some_event', function () {
    console.log('some_event occured.');
});
setTimeout(function () {
    event.emit('some_event');
}, 1000);

　　运行这段代码，1秒后控制台输出了 some_event occured. 。其原理是 event 对象注册了事件 some_event 的一个监听器，然后我们通过 setTimeout 在1000毫秒以后向event 对象发送事件 some_event ，此时会调用 some_event 的监听器。

Node.js 的事件循环机制

　　Node.js 在什么时候会进入事件循环呢？答案是 Node.js 程序由事件循环开始，到事件循环结束，所有的逻辑都是事件的回调函数，所以 Node.js 始终在事件循环中，程序入口就是事件循环第一个事件的回调函数。事件的回调函数在执行的过程中，可能会发出 I/O 请求或直接发射（emit）事件，执行完毕后再返回事件循环，事件循环会检查事件队列中有没有未处理的事件，直到程序结束。图3-5说明了事件循环的原理。

　　与其他语言不同的是，Node.js 没有显式的事件循环，类似 Ruby 的 EventMachine::run()的函数在 Node.js 中是不存在的。Node.js 的事件循环对开发者不可见，由 libev 库实现。 libev支持多种类型的事件，如 ev_io 、 ev_timer 、 ev_signal 、 ev_idle 等，在 Node.js 中均被EventEmitter 封装。 libev 事件循环的每一次迭代，在 Node.js 中就是一次 Tick， libev 不断检查是否有活动的、可供检测的事件监听器，直到检测不到时才退出事件循环，进程结束。