Node.js异步I/O学习笔记

“异步”这个名词的大规模流行是在Web 2.0浪潮中，它伴随着Javascript和AJAX席卷了Web。但在绝大多数高级编程语言中，异步并不多见。PHP最能体现这个特点：它不仅屏蔽了异步，甚至连多线程也不提供，PHP都是以同步阻塞的方式来执行。这样的优点利于程序猿顺序编写业务逻辑，但在复杂的网络应用中，阻塞导致它无法更好地并发。

在服务器端，I/O非常昂贵，分布式I/O更加昂贵，只有后端能快速响应资源，前端的体验才能变得更好。Node.js是首个将异步作为主要编程方式和设计理念的平台，伴随着异步I/O的还有事件驱动和单线程，它们构成Node的基调。本文将介绍Node是如何实现异步I/O的。

1. 基本概念

“异步”与“非阻塞”听起来似乎是一回事，从实际效果而言，这两者都达到了并行的目的。但是从计算机内核I/O而言，只有两种方式：阻塞与非阻塞。因此异步/同步和阻塞/非阻塞实际上是两回事。

1.1 阻塞I/O与非阻塞I/O

阻塞I/O的一个特点是调用之后一定要等到系统内核层面完成所有操作后，调用才结束。以读取磁盘上的一个文件为例，系统内核在完成磁盘寻道、读取数据、复制数据到内存中后，这个调用才结束。

阻塞I/O造成CPU等待I/O，浪费等待时间，CPU的处理能力不能得到充分利用。非阻塞I/O的特点就是调用之后会立即返回，返回后CPU的时间片可以用来处理其他事务。由于完整的I/O并没有完成，立即返回的并不是业务层期待的数据，而仅仅是当前调用的状态。为了获取完整的数据，应用程序需要重复调用I/O操作来确认是否完成（即轮询）。轮询技术要以下几种：

1.read：通过重复调用来检查I/O状态，是最原始性能最低的一种方式
2.select：对read的改进，通过对文件描述符上的事件状态来进行判断。缺点是文件描述符最大的数量有限制
3.poll：对select的改进，采用链表的方式避免最大数量限制，但描述符较多时，性能还是十分低下
4.epoll：进入轮询时若没有检查到I/O事件，将会进行休眠，直到事件发生将其唤醒。这是当前Linux下效率最高的I/O事件通知机制

轮询满足了非阻塞I/O确保获取完整数据的需求，但对于应用程序而言，它仍然只能算作一种同步，因为依然需要等待I/O完全返回。等待期间，CPU要么用于遍历文件描述符的状态，要么用于休眠等待事件发生。

1.2 理想与现实中的异步I/O

完美的异步I/O应该是应用程序发起非阻塞调用，无需通过轮询就可以直接处理下一个任务，只需在I/O完成后通过信号或回调将数据传递给应用程序即可。

现实中的异步I/O在不同操作系统下有不同的实现，如*nix平台采用自定义的线程池，Windows平台采用IOCP模型。Node提供了libuv作为抽象封装层来封装平台兼容性判断，并保证上层Node与下层各平台异步I/O的实现各自独立。另外需要强调的是我们经常提到Node是单线程的，这仅仅是指Javascript的执行在单线程中，实际在Node内部完成I/O任务的都另有线程池。

2. Node的异步I/O

2.1 事件循环

Node的执行模型实际上是事件循环。在进程启动时，Node会创建一个无限循环，每一次执行循环体的过程成为一次Tick。每个Tick过程就是查看是否有事件等待处理，如果有则取出事件及其相关的回调函数，若存在关联的回调函数则执行它们，然后进入下一个循环。如果不再有事件处理，就退出进程。

2.2 观察者

每个事件循环中有若干个观察者，通过向这些观察者询问来判断是否有事件要处理。事件循环是一个典型的生产者/消费者模型。在Node中，事件主要来源于网络请求、文件I/O等，这些事件都有对应的网络I/O观察者、文件I/O观察者等，事件循环则从观察者那里取出事件并处理。

2.3 请求对象

从Javascript发起调用到内核执行完I/O操作的过渡过程中，存在一种中间产物，叫做请求对象。以最简单的Windows下fs.open()方法（根据指定路径和参数去打开一个文件并得到一个文件描述符）为例，从JS调用到内建模块通过libuv进行系统调用，实际上是调用了uv_fs_open()方法。在调用过程中，创建了一个FSReqWrap请求对象，从JS层传入的参数和方法都封装在这个请求对象中，其中我们最为关注的回调函数被设置在这个对象的oncompete_sym属性上。对象包装完毕后，将FSReqWrap对象推入线程池中等待执行。

至此，JS调用立即返回，JS线程可以继续执行后续操作。当前的I/O操作在线程池中等待执行，这就完成了异步调用的第一阶段。

2.4 执行回调

回调通知是异步I/O的第二阶段。线程池中的I/O操作调用完毕后，会将获取的结果储存起来，然后通知IOCP当前对象操作已完成，并将线程归还线程池。在每次Tick的执行中，事件循环的I/O观察者会调用相关的方法检查线程池中是否有执行完的请求，如果存在，会将请求对象加入到I/O观察者的队列中，然后将其当做事件处理。

3. 非I/O的异步API

Node中还存在一些与I/O无关的异步API，例如定时器setTimeout()、setInterval()，立即异步执行任务的process.nextTick()和setImmdiate()等，这里略微介绍一下。

3.1 定时器API

setTimeout()和setInterval()浏览器端的API是一致的，它们的实现原理与异步I/O类似，只是不需要I/O线程池的参与。调用定时器API创建的定时器会被插入到定时器观察者内部的一棵红黑树中，每次事件循环的Tick都会从红黑树中迭代取出定时器对象，检查是否超过定时时间，若超过就形成一个事件，回调函数立即被执行。定时器的主要问题在于它的定时时间并非特别精确（毫秒级，在容忍范围内）。

3.2 立即异步执行任务API

在Node出现之前，很多人也许为了立即异步执行一个任务，会这样调用：

setTimeout(function() {

    // TODO

}, 0);

由于事件循环的特点，定时器的精确度不够，而且采用定时器需要使用红黑树，各种操作时间复杂度为O(log(n))。而process.nextTick()方法只会将回调函数放入队列中，在下一轮Tick时取出执行，复杂度为O(1)更为高效。

此外还有一个setImmediate()方法和上述方法类似，都是将回调函数延迟执行。不过前者的优先级要比后者高，这是因为事件循环对观察者的检查是有先后顺序的。另外，前者的回调函数保存在一个数组中，每轮Tick会将数组中的所有回调函数全部执行完；后者结果保存在链表中，每轮Tick只会执行一个回调函数。

4. 事件驱动与高性能服务器

前面以fs.open()为例阐述了Node如何实现异步I/O。事实上对网络套接字的处理，Node也应用了异步I/O，这也是Node构建Web服务器的基础。经典的服务器模型有：

1.同步式：一次只能处理一个请求，其余请求都处于等待状态
2.每进程/每请求：为每个请求启动一个进程，但系统资源有限，不具备扩展性
3.每线程/每请求：为每个请求启动一个线程。线程比进程要轻量，但每个线程都占用一定内存，当大并发请求到来时，内存很快就会用光

著名的Apache采用的就是每线程/每请求的形式，这也是它难以应对高并发的原因。Node通过事件驱动方式处理请求，可以省掉创建和销毁线程的开销，同时操作系统在调度任务时因为线程较少，上下文切换的代价也很低。即使在大量连接的情况下，Node也能有条不紊地处理请求。

知名服务器Nginx也摒弃了多线程的方式，采用和Node一样的事件驱动方式。如今Nginx大有取代Apache之势。Nginx采用纯C编写，性能较高，但是它仅适合做Web服务器，用于反向代理或负载均衡等。Node可以构建与Nginx相同的功能，也可以处理各种具体业务，自身性能也不错。在实际项目中，我们可以结合它们各自有点，以达到应用的最佳性能。