Nodejs探秘：深入理解单线程实现高并发原理

前言

从Node.js进入我们的视野时，我们所知道的它就由这些关键字组成 事件驱动、非阻塞I/O、高效、轻量，它在官网中也是这么描述自己的。

Node.js® is a JavaScript runtime built on Chrome’s V8 JavaScript engine. Node.js uses an event-driven, non-blocking I/O model that makes it lightweight and efficient.

于是在我们刚接触Nodejs时，会有所疑问：

1、为什么在浏览器中运行的Javascript 能与操作系统进行如此底层的交互？   2、nodejs 真的是单线程吗？ 3、如果是单线程，他是如何处理高并发请求的？ 4、nodejs 事件驱动是如何实现的？

等等。。。

看到这些问题，是否有点头大，别急，带着这些问题我们来慢慢看这篇文章。

架构一览

上面的问题，都挺底层的，所以我们从 Node.js 本身入手，先来看看 Node.js 的结构。

· Node.js 标准库，这部分是由 Javascript 编写的，即我们使用过程中直接能调用的 API。在源码中的 lib 目录下可以看到。

· Node bindings，这一层是 Javascript 与底层 C/C++ 能够沟通的关键，前者通过 bindings 调用后者，相互交换数据。实现在 node.cc

· 这一层是支撑 Node.js 运行的关键，由 C/C++ 实现。

V8：Google 推出的 Javascript VM，也是 Node.js 为什么使用的是 Javascript 的关键，它为Javascript 提供了在非浏览器端运行的环境，它的高效是 Node.js 之所以高效的原因之一。 Libuv：它为 Node.js 提供了跨平台，线程池，事件池，异步 I/O 等能力，是 Node.js 如此强大的关键。 C-ares：提供了异步处理 DNS 相关的能力。 http_parser、OpenSSL、zlib 等：提供包括 http 解析、SSL、数据压缩等其他的能力。

与操作系统交互

举个简单的例子，我们想要打开一个文件，并进行一些操作，可以写下面这样一段代码：

var fs = require('fs');
fs.open('./test.txt', "w", function(err, fd) {
 //..do something
});

这段代码的调用过程大致可描述为：lib/fs.js → src/node_file.cc → uv_fs

 lib/fs.js
async function open(path, flags, mode) {
mode = modeNum(mode, 0o666);
path = getPathFromURL(path);
validatePath(path);
validateUint32(mode, 'mode');
return new FileHandle(
await binding.openFileHandle(pathModule.toNamespacedPath(path),
stringToFlags(flags),
mode, kUsePromises));
}
src/node_file.cc
static void Open(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
Environment* env = Environment::GetCurrent(args);
const int argc = args.Length();
if (req_wrap_async != nullptr) {  // open(path, flags, mode, req)
AsyncCall(env, req_wrap_async, args, "open", UTF8, AfterInteger,
uv_fs_open, *path, flags, mode);
} else {  // open(path, flags, mode, undefined, ctx)
CHECK_EQ(argc, 5);
FSReqWrapSync req_wrap_sync;
FS_SYNC_TRACE_BEGIN(open);
int result = SyncCall(env, args[4], &req_wrap_sync, "open",
uv_fs_open, *path, flags, mode);
FS_SYNC_TRACE_END(open);
args.GetReturnValue().Set(result);
}
}
uv_fs
/* Open the destination file. */
dstfd = uv_fs_open(NULL,
&fs_req,
req->new_path,
dst_flags,
statsbuf.st_mode,
NULL);
uv_fs_req_cleanup(&fs_req);

Node.js 深入浅出上的一幅图：

具体来说，当我们调用 fs.open 时，Node.js 通过 process.binding 调用 C/C++ 层面的 Open 函数，然后通过它调用 Libuv 中的具体方法 uv_fs_open，最后执行的结果通过回调的方式传回，完成流程。

我们在 Javascript 中调用的方法，最终都会通过 process.binding 传递到 C/C++ 层面，最终由他们来执行真正的操作。Node.js 即这样与操作系统进行互动。

单线程

在传统web 服务模型中，大多都使用多线程来解决并发的问题，因为I/O 是阻塞的，单线程就意味着用户要等待，显然这是不合理的，所以创建多个线程来响应用户的请求。

Node.js 对http 服务的模型：

Node.js的单线程指的是主线程是“单线程”，由主要线程去按照编码顺序一步步执行程序代码，假如遇到同步代码阻塞，主线程被占用，后续的程序代码执行就会被卡住。实践一个测试代码：

var http = require('http');
function sleep(time) {
var _exit = Date.now() + time * 1000;
while( Date.now() < _exit ) {}
return ;
}
var server = http.createServer(function(req, res){
sleep(10);
res.end('server sleep 10s');
});
server.listen(8080);

 下面为代码块的堆栈图：

先将index.js的代码改成这样，然后打开浏览器，你会发现浏览器在10秒之后才做出反应，打出Hello Node.js。

JavaScript是解析性语言，代码按照编码顺序一行一行被压进stack里面执行，执行完成后移除然后继续压下一行代码块进去执行。上面代码块的堆栈图，当主线程接受了request后，程序被压进同步执行的sleep执行块（我们假设这里就是程序的业务处理），如果在这10s内有第二个request进来就会被压进stack里面等待10s执行完成后再进一步处理下一个请求，后面的请求都会被挂起等待前面的同步执行完成后再执行。

那么我们会疑问：为什么一个单线程的效率可以这么高，同时处理数万级的并发而不会造成阻塞呢？就是我们下面所说的--------事件驱动。

事件驱动/事件循环

Event Loop is a programming construct that waits for and dispatches events or messages in a program.

1、每个Node.js进程只有一个主线程在执行程序代码，形成一个执行栈（execution context stack)。

2、主线程之外，还维护了一个"事件队列"（Event queue）。当用户的网络请求或者其它的异步操作到来时，node都会把它放到Event Queue之中，此时并不会立即执行它，代码也不会被阻塞，继续往下走，直到主线程代码执行完毕。

3、主线程代码执行完毕完成后，然后通过Event Loop，也就是事件循环机制，开始到Event Queue的开头取出第一个事件，从线程池中分配一个线程去执行这个事件，接下来继续取出第二个事件，再从线程池中分配一个线程去执行，然后第三个，第四个。主线程不断的检查事件队列中是否有未执行的事件，直到事件队列中所有事件都执行完了，此后每当有新的事件加入到事件队列中，都会通知主线程按顺序取出交EventLoop处理。当有事件执行完毕后，会通知主线程，主线程执行回调，线程归还给线程池。

4、主线程不断重复上面的第三步。

我们所看到的node.js单线程只是一个js主线程，本质上的异步操作还是由线程池完成的，node将所有的阻塞操作都交给了内部的线程池去实现，本身只负责不断的往返调度，并没有进行真正的I/O操作，从而实现异步非阻塞I/O，这便是node单线程和事件驱动的精髓之处了。

原文作者，腾讯工程师Howell。