浅析 Node.js 单线程模型

总结笔记：对于每个用户请求，由主线程接收并存放于一个事件队列中（不做任何处理），当无请求发生时，即主线程空闲，主线程开始循环处理事件队列中的任务：

对于非阻塞JS程序：

1、若某事件需要I/O操作，则主线程发出I/O请求，然后继续执行，由底层的程序实现I/O并返回I/O数据（底层程序是多线程的，JS是单线程的），底层I/O线程处理完后将该事件重新放入事件队列并释放当前线程；

2、某事件不需要I/O操作，则主线程直接处理；（由其他线程处理后放入的事件此时也被主线程直接处理掉）；

对于阻塞JS程序：

1、若某事件需要I/O操作，则主线程发出I/O请求，然后等待I/O结束，由底层的程序实现I/O并返回I/O数据，主线程获得该事件所需数据后继续处理该事件；

2、某事件不需要I/O操作，则主线程直接处理；

综上可知，node.js由js解释程序和底层代码实现，JS代码是主线程，是单线程执行，而底层代码是多线程，可同时处理多个I/O请求，js中的阻塞与非阻塞代码只决定js在I/O时继不继续执行（当然，若阻塞执行，底层多线程也没啥用了），而底层会为每一个I/O请求创建一个线程；

注意：这只是对Node.js的一个分析，用来理解nodejs的线程模型而已，实际使用要具体问题具体分析，建议结合http://www.runoob.com/nodejs/nodejs-callback.html中的阻塞与非阻塞来学习，阻塞即只要一个主线程执行所有操作，当事件需要I/O操作则主线程等待I/O完成再继续执行，而非阻塞，即对事件处理使用了事件回调，此时，主线程将继续执行下一步的代码而不用等待该事件I/O完成，当I/O完成时主线程再针对该事件执行相应的回调函数；

例如：1、

var http = require('http');

http.createServer(function (request, response) {

    // 发送 HTTP 头部 
    // HTTP 状态值: 200 : OK
    // 内容类型: text/plain
    response.writeHead(200, {'Content-Type': 'text/plain'});

    // 发送响应数据 "Hello World"
    response.end('Hello World\n');
}).listen(8888);

// 终端打印如下信息
console.log('Server running at http://127.0.0.1:8888/');

该主线程只做三件事：1、侦听8888端口（侦听操作也可以理解为是I/O操作，因而应当也是由底层程序实现，即底层程序监听端口，若有事件，则放入事件队列，继续侦听端口）； 2、JS主线程处理并生成返回数据； 3、返回处理结果（此步骤是I/O操作，由线程池处理）；

2、

var fs = require("fs");

fs.readFile('input.txt', function (err, data) {
    if (err) return console.error(err);
    console.log(data.toString());
});

console.log("程序执行结束!");

该主线程在执行I/O时不等待I/O完成，直接继续执行，线程池线程执行完后将结果返还给主线程，主线程执行回调函数并处理事件；

正文

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　　

 原文地址：https://www.cnblogs.com/onepixel/p/7143769.html

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

[4]Node.js 回调函数