nodejs 异步I/O和事件驱动

nodejs 异步I/O和事件驱动

注：本文是对众多博客的学习和总结，可能存在理解错误。请带着怀疑的眼光，同时如果有错误希望能指出。

接触nodejs有两个月，对nodejs的两大特性一直有点模糊，即异步IO和事件驱动。通过对《深入浅出nodejs》和几篇博客的阅读以后，有了大致的了解，总结一下。

几个例子

在开始之前，先来看几个简单例子，这也是我在使用nodejs时候遇到的几个比较困惑的例子。

example 1

var fs = require("fs");
var debug = require('debug')('example1');

debug("begin");

setTimeout(function(){
    debug("timeout1");
});

setTimeout(function(){
    debug("timeout2");
});

debug('end');
/** 运行结果 Sat, 21 May 2016 08:41:09 GMT example1 begin Sat, 21 May 2016 08:41:09 GMT example1 end Sat, 21 May 2016 08:41:09 GMT example1 timeout1 Sat, 21 May 2016 08:41:09 GMT example1 timeout2 */

question 1

为何timeout1和timeout2的结果会在end后面？

example 2

var fs = require("fs");
var debug = require('debug')('example2');

debug("begin");

setTimeout(function(){
    debug("timeout1");
});

setTimeout(function(){
    debug("timeout2");
});

debug('end');

while(true);
/** 运行结果 Sat, 21 May 2016 08:45:47 GMT example2 begin Sat, 21 May 2016 08:45:47 GMT example2 end */

question 2

为何timeout1和timeout2没有输出到终端？while(true)到底阻塞了什么？

example 3

var fs = require("fs");
var debug = require('debug')('example3');

debug("begin");

setTimeout(function(){
    debug("timeout1");
    while (true);
});

setTimeout(function(){
    debug("timeout2");
});

debug('end');
/** 运行结果 Sat, 21 May 2016 08:49:12 GMT example3 begin Sat, 21 May 2016 08:49:12 GMT example3 end Sat, 21 May 2016 08:49:12 GMT example3 timeout1 */

question 3

为什么timeout1中回调函数会阻塞timeout2中的回调函数的执行？

example 4

var fs = require("fs");
var debug = require('debug')('example4');

debug("begin");

setTimeout(function(){
    debug("timeout1");
    /** * 模拟计算密集 */
    for(var i = 0 ; i < 1000000 ; ++i){
        for(var j = 0 ; j < 100000 ; ++j);
    }
});

setTimeout(function(){
    debug("timeout2");
});

debug('end');
/** Sat, 21 May 2016 08:53:27 GMT example4 begin Sat, 21 May 2016 08:53:27 GMT example4 end Sat, 21 May 2016 08:53:27 GMT example4 timeout1 Sat, 21 May 2016 08:54:09 GMT example4 timeout2 //注意这里的时间晚了好久 */

question 4

和上面的问题一样，为何timeout1的计算密集型工作将会阻塞timeout2的回调函数的执行？

example 5

var fs = require("fs");
var debug = require('debug')('example5');

debug("begin");

fs.readFile('package.json','utf-8',function(err,data){
    if(err)  
        debug(err);
    else
        debug("get file content");
});

setTimeout(function(){
    debug("timeout2");
});

debug('end');
/** 运行结果 Sat, 21 May 2016 08:59:14 GMT example5 begin Sat, 21 May 2016 08:59:14 GMT example5 end Sat, 21 May 2016 08:59:14 GMT example5 timeout2 Sat, 21 May 2016 08:59:14 GMT example5 get file content */

question 5

为何读取文件的IO操作不会阻塞timeout2的执行？

接下来我们就带着上面几个疑惑去理解nodejs中的异步IO和事件驱动是如何工作的。

异步IO(asynchronous I/O)

首先来理解几个容易混淆的概念，阻塞IO(blocking I/O)和非阻塞IO(non-blocking I/O)，同步IO(synchronous I/O)和异步IO(synchronous I/O)。

博主一直天真的以为非阻塞I/O就是异步I/O T_T，apue一直没有读懂。

阻塞I/O 和 非阻塞I/O

简单来说，阻塞I/O就是当用户发一个读取文件描述符的操作的时候，进程就会被阻塞，直到要读取的数据全部准备好返回给用户，这时候进程才会解除block的状态。

那非阻塞I/O呢，就与上面的情况相反，用户发起一个读取文件描述符操作的时，函数立即返回，不作任何等待，进程继续执行。但是程序如何知道要读取的数据已经准备好了呢？最简单的方法就是轮询。

除此之外，还有一种叫做IO多路复用的模式，就是用一个阻塞函数同时监听多个文件描述符，当其中有一个文件描述符准备好了，就马上返回，在linux下，select,poll,epoll都提供了IO多路复用的功能。

同步I/O 和 异步I/O

那么同步I/O和异步I/O又有什么区别么？是不是只要做到非阻塞IO就可以实现异步I/O呢？

其实不然。

• 同步I/O(synchronous I/O)做I/O operation的时候会将process阻塞,所以阻塞I/O，非阻塞I/O，IO多路复用I/O都是同步I/O。
• 异步I/O(asynchronous I/O)做I/O opertaion的时候将不会造成任何的阻塞。

非阻塞I/O都不阻塞了为什么不是异步I/O呢？其实当非阻塞I/O准备好数据以后还是要阻塞住进程去内核拿数据的。所以算不上异步I/O。

这里借一张图(图来自这里)来说明他们之间的区别

更多IO更多的详细内容可以在这里找到:

• Linux IO模式及 select、poll、epoll详解
• select / poll / epoll: practical difference for system architects

事件驱动

事件驱动(event-driven)是nodejs中的第二大特性。何为事件驱动呢？简单来说，就是通过监听事件的状态变化来做出相应的操作。比如读取一个文件，文件读取完毕，或者文件读取错误，那么就触发对应的状态，然后调用对应的回掉函数来进行处理。

线程驱动和事件驱动

那么线程驱动编程和事件驱动编程之间的区别是什么呢？

• 线程驱动就是当收到一个请求的时候，将会为该请求开一个新的线程来处理请求。一般存在一个线程池，线程池中有空闲的线程，会从线程池中拿取线程来进行处理，如果线程池中没有空闲的线程，新来的请求将会进入队列排队，直到线程池中空闲线程。
• 事件驱动就是当进来一个新的请求的时，请求将会被压入队列中，然后通过一个循环来检测队列中的事件状态变化，如果检测到有状态变化的事件，那么就执行该事件对应的处理代码，一般都是回调函数。

对于事件驱动编程来说，如果某个时间的回调函数是计算密集型，或者是阻塞I/O,那么这个回调函数将会阻塞后面所有事件回调函数的执行。这一点尤为重要。

nodejs的事件驱动和异步I/O

事件驱动模型

上面介绍了那么多的概念，现在我们来看看nodejs中的事件驱动和异步I/O是如何实现的.

nodejs是单线程(single thread)运行的，通过一个事件循环(event-loop)来循环取出消息队列(event-queue)中的消息进行处理,处理过程基本上就是去调用该消息对应的回调函数。消息队列就是当一个事件状态发生变化时，就将一个消息压入队列中。

nodejs的时间驱动模型一般要注意下面几个点：

• 因为是单线程的，所以当顺序执行js文件中的代码的时候，事件循环是被暂停的。
• 当js文件执行完以后，事件循环开始运行，并从消息队列中取出消息，开始执行回调函数
• 因为是单线程的，所以当回调函数被执行的时候，事件循环是被暂停的
• 当涉及到I/O操作的时候，nodejs会开一个独立的线程来进行异步I/O操作，操作结束以后将消息压入消息队列。

下面我们从一个简单的js文件入手，来看看 nodejs是如何执行的。

var fs = require("fs");
var debug = require('debug')('example1');

debug("begin");

fs.readFile('package.json','utf-8',function(err,data){
    if(err)  
        debug(err);
    else
        debug("get file content");
});

setTimeout(function(){
    debug("timeout2");
});

debug('end'); // 运行到这里之前，事件循环是暂停的

1. 同步执行debug("begin")
2. 异步调用fs.readFile()，此时会开一个新的线程去进行异步I/O操作
3. 异步调用setTimeout()，马上将超时信息压入到消息队列中
4. 同步调用debug("end")
5. 开启事件循环，弹出消息队列中的信息(目前是超时信息)
6. 然后执行信息对应的回调函数(事件循环又被暂停)
7. 回调函数执行结束后，开始事件循环(目前消息队列中没有任何东西，文件还没读完)
8. 异步I/O读取文件完毕，将消息压入消息队列(消息中含有文件内容或者是出错信息)
9. 事件循环取得消息，执行回调
10. 程序退出。

这里借一张图来说明nodejs的事件驱动模型（图来自这里）

这里最后要说的一点就是如何手动将一个函数推入队列,nodejs为我们提供了几个比较方便的方法:

• setTimeout()
• process.nextTick()
• setImmediate()

异步I/O

nodejs中的异步I/O的操作是通过libuv这个库来实现的，包含了window和linux下面的异步I/O实现，博主也没有研究过这个库，感兴趣的读者可以移步到这里

问题答案

好，到目前为止，已经可以回答上面的问题了

question 1

为何timeout1和timeout2的结果会在end后面？

answer 1

因为此时timeout1和timeout2只是被异步函数推入到了队列中，事件循环还是暂停状态

question 2

为何timeout1和timeout2没有输出到终端？while(true)到底阻塞了什么？

answer 2

因为此处直接阻塞了事件循环，还没开始，就已经被阻塞了

question 3,4

1. 为什么timeout1中回调函数会阻塞timeout2中的回调函数的执行？
2. 为何timeout1的计算密集型工作将会阻塞timeout2的回调函数的执行？

answer 3,4

因为该回调函数执行返回事件循环才会继续执行，回调函数将会阻塞事件循环的运行

question 5

为何读取文件的IO操作不会阻塞timeout2的执行？

answer 5

因为IO操作是异步的，会开启一个新的线程，不会阻塞到事件循环

参考文献：

• What exactly is a Node.js event loop tick?
• What is the difference between a thread-based server and an event-based server?
• Some confusion about nodejs threads
• The JavaScript Event Loop: Explained
• poll vs select vs event-based
• Linux IO模式及 select、poll、epoll详解