深入探究 Node.js 架构

在本文中，我们将深入研究 Node.js 架构并了解 Node.js 的异步特性。

让我们深入研究一下。

Node.js 是一个单线程、异步、事件驱动的运行时环境，用于在服务器上运行 Javascript 代码。

单线程意味着 JavaScript 运行时在任何时间点都只同步执行一段代码（或语句）。它只有一个调用堆栈和一个堆内存。那么，运行时如何高效地处理多个异步操作呢？Node.js使用其事件驱动的方法高效地处理了这个问题。现在不用担心这个问题。我们稍后会再讨论 :)。

I/O（输入/输出）是计算机基本操作中最慢的。它涉及访问磁盘数据、读写文件、等待用户输入、进行网络调用、执行某些数据库操作等。它会在请求发送到设备的时刻和操作完成的时刻之间增加延迟。

在传统的阻塞 I/O 编程中，对应于 I/O 请求的函数调用会阻塞线程的执行，直到操作完成。因此，任何使用阻塞 I/O 实现的 Web 服务器都无法在同一个线程中处理多个连接。解决这个问题的方法是使用单独的线程（或进程）来处理每个并发连接。

大多数现代操作系统都支持另一种访问资源的机制，即非阻塞 I/O，其中系统调用总是立即返回，而无需等待 I/O 操作完成。为了有效地处理并发非阻塞资源，它使用了一种称为同步事件多路分解或事件通知接口的机制。同步事件多路分解监视多个资源，并在对其中一个资源执行的读取或写入操作完成时返回一个新事件（或一组事件）。这样做的好处是同步事件多路分解器是同步的，因此它会一直阻塞，直到有新的事件需要处理。

使用通用同步事件多路复用器从两个不同资源读取的算法的伪代码：

让我们看看上面的代码片段中发生了什么：

1. 资源被添加到数据结构（在我们的例子中是 watchesList），并将每个资源与特定操作（例如读取）关联起来

2. 解复用器已设置好要监视的资源组。对 demultiplexer.watch() 的调用是同步的，并且会阻塞，直到任何被监视的资源准备好读取为止。当读取完成时，事件解复用器会从调用中返回，并有一组新的事件可供处理。

3. 事件解复用器返回的每个事件都会被处理。此时，每个事件关联的资源都保证已准备好读取，并且在操作期间不会阻塞。当所有事件都处理完毕后，流程将再次阻塞在事件解复用器上，直到有新的事件再次可供处理。这被称为神秘的事件循环。

你可能会注意到，在这个模式下，我们可以在一个线程内处理多个 I/O 操作。我们之所以说多路复用，是因为只使用一个线程，我们就可以处理多个资源。

多线程网络应用程序处理网络负载如下：

请求 ---> 产生一个线程
---> 等待数据库请求
----> 回答请求

请求 ---> 产生一个线程
---> 等待数据库请求
----> 回答请求

请求 ---> 产生一个线程
---> 等待数据库请求
----> 回答请求

因此，线程大部分时间都占用 0% 的 CPU 资源，等待数据库返回数据。这样做时，他们必须为线程分配所需的内存，其中包括为每个线程分配一个完全独立的程序堆栈等等。此外，他们还必须启动一个线程，虽然这不像启动一个完整进程那么昂贵，但仍然不算便宜。

既然我们大部分时间的 CPU 使用率为 0%，为什么不在 CPU 空闲的时候运行一些代码呢？这样，每个请求仍然可以获得与多线程应用程序相同的 CPU 时间，但我们不需要启动线程。所以在单线程环境中会发生以下情况：

请求 -> 发出 DB req
请求 -> 发出 DB req
请求 -> 发出 DB req
DB req 完成 -> 发送响应
DB req 完成 -> 发送响应
DB req 完成 -> 发送响应

我们可以看到，只使用一个线程并不会削弱我们并发运行多个 I/O 密集型任务的能力。这些任务会分散在各个时间节点，而不是分散在多个线程中。

现在让我来介绍一下Node.js 的核心——反应堆模式。

反应器模式背后的主要思想是为每个 I/O 操作关联一个处理程序。Node.js 中的处理程序由回调函数表示。一旦事件产生并被事件循环处理，该处理程序就会被调用。因此，反应器模式通过阻塞来处理 I/O，直到从一组观察到的资源中获取新的事件，然后通过将每个事件分派给关联的处理程序来做出响应。

反应器模式的结构如下图所示：

1. 应用程序生成一个新的 I/O 操作，并将请求提交给事件多路复用器。应用程序还指定一个处理程序，该处理程序将在操作完成后调用。向事件多路复用器提交新的请求是一个非阻塞操作，它会立即将控制权返回给应用程序。

2. 当一组 I/O 操作完成时，事件多路分解器会将一组相应的事件推送到事件队列中。

3. 从事件多路分解器接收到一组事件后，事件循环将遍历事件队列的项目。

4. 与每个处理程序关联的处理程序被调用。

5. 处理程序是应用程序代码的一部分，它在执行完成后将控制权交还给事件循环(a)。
   处理程序执行期间，它可以请求新的异步操作，这些操作会将新项目添加到事件多路复用器(b)。

6. 当事件队列中的所有项目都被处理后，事件循环会再次阻塞在事件解复用器上，然后在有新事件可用时触发另一个循环。

当事件解复用器中不再有待处理的操作，并且事件队列中不再有需要处理的事件时，Node.js 应用程序将退出。

每个操作系统都有自己的事件多路复用器接口，并且每个 I/O 操作的行为会根据资源类型的不同而有很大差异，即使在同一个操作系统中也是如此。

• 为了处理这些不一致性，Node.js 核心团队创建了一个名为libuv的本机库，它是用 C++ 编写的。
• Libuv 代表 Node.js 的底层 I/O 引擎。它是对操作系统事件多路复用器的更高级别的抽象，这使得 Node.js 与所有主流操作系统兼容，并规范了不同类型资源的非阻塞行为。
• 它还实现了反应堆模式，从而提供了用于创建事件循环、管理事件队列、运行异步 I/O 操作和排队其他类型任务的 API。
• libuv 内部维护一个线程池，用于管理 I/O 操作以及诸如 crypto 和 zlib 之类的 CPU 密集型操作。这是一个大小有限的线程池，允许在其中进行 I/O 操作。如果线程池只包含四个线程，则同一时间只能读取四个文件。

Nodejs 最终的高层架构包括：

• 一组负责包装和向 Javascript 公开 libuv 和其他低级功能的绑定。

• V8 是 Google 最初为 Chrome 浏览器开发的 JavaScript 引擎。这也是 Node.js 如此快速高效的原因之一。

• 实现高级 Node.js API 的核心 Javascript 库。

结论
Node.js 架构是后端面试的热门话题之一。对于所有 Node.js 开发者来说，深入了解 Node.js 的异步特性是高效编写代码的必备条件。我真心希望你喜欢这篇文章。如果你想了解更多关于 Node.js 的知识，我强烈推荐《Node.js 设计模式》这本书。在下一篇文章中，我们将进一步讨论事件循环。

参考：

1. Node.js 设计模式，作者 Mario Casciaro 和 Luciano Mammino

2. 绝对是 Stack Overflow :)

再见啦。再见 :)