#1 反应堆模式和非阻塞I/O

一.阻塞 I/O

对于使用阻塞式I/O 的 web server，不能在同一个线程中同时处理多个connections。每一个I/O 操作都会阻塞其它的connection。所以传统处理并发的web server,一般采取多线程或一个进程（或在进程池中重用一个taken）,这样，当一个线程被I/O操作阻塞时，不会影响其他的请求，因为它们采用分开的线程的处理方式。

缺点：

blocking io.jpg

• 当与数据库或filesystem交互时，我们需要等待操作完成的结果
• 线程对于系统资源的花销是很昂贵，这样并不是很效率

二.非阻塞式 I/O

除了上面的阻塞式I/O，现在的操作系统都支持另一种访问资源的方式，叫做非阻塞 I/O。系统永远立即返回，而不用等待数据被读取或写入。如果在调用时没有结果可以获取，函数将返回预先定义的常量，表示当时没有数据可获取。

最基本的实现非阻塞式I/O的方式是，通过轮询资源（polling loop），直到实际的数据被返回，这种方式称之为busy-waiting,但是这样做会消耗大量CPU资源，所以并不效率。

三.事件多路分解器(Event demultiplexing)

上面介绍的Busy-waiting 很明显不适合处理非阻塞资源。幸运的是，现在操作系统提供了一种原生的，高效率的处理并发，非阻塞资源的方法，称之为 同步事件多路分解器（synchronous event demultiplexer） 或 事件通知接口(event notification interface)。

这个组件收集和队列一系列来自被观察资源的 I/O事件，并且屏蔽它们，直到新的事件能够处理。

Event demultiplxer.jpg

伪代码过程：

socketA, pipeB;
watchedList.add(socketA, FOR_READ); // [1]
watchedList.add(pipeB, FOR_READ);
while(events = demultiplexer.watch(watchedList)) { // [2]
  // 事件循环
  foreach(event in events) {   // [3]
    // 这个read方法，永远不会被阻塞
    // 并且永远返回数据
    data = event.resource.read();
    if (data === RESOURCE_CLOSED) {
      // 资源被关闭，则将其从观察列表中移除
      demultiplexer.unwatch(event.resource);
    } else {
      // 一些实际的数据被接受并被处理
      consumeData(data);
    }
  }
}

伪代码中比较重要的步骤：

• [1]: 资源和相应的特定操作(例如read操作)添加到数据结构中
• [2]: 事件通知器设置一系列资源被观测。这个调用是同步的，阻塞的，知道任何被观测的资源被 read。当这发生时，事件多路分解器从调用中返回，并且新的一系列事件能够被处理
• 被事件分解器处理的每个事件被返回。资源和相应的事件确保准备读取，这个操作是非阻塞的。当事件被处理，这个工作流再次阻塞直到新的事件重新可以被处理。这个过程称之为 event loop

四.反应堆模式(Reactor pattern)

主要思想是，通过handler(在Node.js中以 callback 函数表示)结合每个 I/O 操作，当事件产生并且通过事件循环处理时，这个handler将被调用。结构如下：

上图即是应用使用反应堆模式时的状态：

1.应用通过提交请求到Event Demultiplexer产生新的I/O操作。应用同时指定handler,当操作完成时调用(即回调函数)。提交新的请求到Event Demultiplexer是一个非阻塞调用，它立即返回control到应用

2.当一系列的I/O操作完成，Event Demultiplexer将新的事件添加到事件队列（Event Queue）中

3.此时 Event Loop迭代 事件队列 中的 items

4.对于每个event,相应的handler被调用

5.handler执行完毕之后，将返回control到event loop中（5a）;然而，在执行handler的过程中，新的异步操作可能被请求（5b）,在control返回到event loop之前， 引起新的操作被插入到Event Demultiplexer(第1步)中

6.当Event Queue中所有的项目被被处理，这个循环将重新阻塞在Event Demultiplexer，知道一个新的事件的到来。

总结： reactor pattern通过阻塞来处理I/O，知道来自一组被观察资源的新事件可用，然后通过将每个事件分派到相关联的处理程序来做出反应。

NodeJS底层通过C语言库 libuv来兼容主流平台和
规范不同类型资源的非阻塞行为。libuv现在用于表示Node.js底层的I/O引擎。libuv介绍

NodeJS底层架构：

nodejs framework.jpg

总结

主要涉及Node.js的一些基本概念：

• 事件多路分解器（Event demultiplexer）
• 非阻塞I/O操作
• 事件队列Event Queue
• Reactor pattern: 异步的特点，通过回调函数的方式来消除线程和竞态的担忧
• event loop