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Node.js 异步 api 的本质和 libuv

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神说要有光zxg
发布2021-09-03 15:18:23
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发布2021-09-03 15:18:23
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Node.js 是一个 Javascript 的运行时,提供了系统能力的 api,主要是文件、网络相关的 IO api,而 IO api 的实现是在 libuv,提供了同步异步两种形式的 api。

本来就来探究下 libuv 的功能和提供的 api 的形式。

同步异步、事件循环

cpu 是顺序执行代码的,通过 pc 寄存器来存储着下一条指令的内存地址。代码的执行流程叫做控制流。但是对于一些 IO 操作来说,并不需要 cpu 做计算,而是在等待硬盘设备、网络设备的数据读取,这时候 cpu 是空闲的,所以一条控制流不行,会导致 cpu 利用率太低。所以操作系统又提供了进程、线程的功能,进程是分配资源的单位,而执行代码主要是靠线程,一个线程就是一条控制流,它是 cpu 调度的基本单位,也就是说可以在多个控制流之间切换,当一个线程在做 IO 的时候就释放 cpu,让其他线程去跑。

一个线程阻塞的等待 IO 的方式就是同步,会比较浪费 cpu,而多个线程切换,在做 IO 的时候让其他线程上 cpu 跑,执行完 IO 再申请 cpu 来继续后续处理,这种方式就是异步

异步最终是多线程来实现的,但是在 Node.js 里面又进一步通过 event loop 做了封装,比如执行文件读取、网络访问的时候并不需要开发者去创建线程,而是调用 api,指定回调函数就可以了,这是对多线程的进一步封装。

异步的底层实现都是通过线程的切换,但是暴露给开发者的形式有两种:

第一种是开发者控制线程的创建和销毁,指定线程执行的内容内容,java 是这种。

第二种是提供事件循环机制,提供一系列异步 api,这些异步 api 最终是由线程来执行的,但是开发者不需要手动管理线程。javascript 是这种。

libuv

在 Node.js 里面,实现 event loop 的就是 libuv,它是一个异步 IO 库,负责文件和网络的 io,提供了事件形式的异步 api。

image.png

libuv 里有一个线程池负责维护一些线程用来执行异步 api,这个线程池的大小是可以设置的,通过环境变量 UV_THREADPOOL_SIZE 可以设置。

在 Node.js 文档中搜索 UV_THREADPOOL_SIZE 可以看到这段介绍:

就是说 libuv 是负责 IO 的 api 的异步实现的,基于更底层的操作系统 api。这些操作系统 api 有的是异步的,有的不是,对于不是异步 api 的那些,就要由 libuv 的线程池中的线程来执行,变成异步的形式。

这些 api 包括:

  • 所有的文件 fs api,除了 watch 的 api
  • 加密 crypto 的异步 api
  • dns.loopup
  • 所有压缩的 zlib api

这些 api 共用一个线程池,那么肯定会相互影响,所以有的时候需要加大线程池的线程数量,默认是 4,当需要的时候可以设置这个环境变量来加大。

这让我想起了 Node.js 的 --max-old-space-size=SIZE 可以设置堆大小一样,都是性能调优的参数。

当面试问到 Node.js 性能调优的时候,可以答设置 libuv 的线程池大小,堆大小设置的这两个参数/环境变量。

看了文档之后,我们更确认了异步最底层的实现就是线程,只不过是通过 libuv 的线程池做了封装。libuv 提供了 IO 相关的 api,在 Node.js 的架构中的位置如下:

IO api 的 3 种形式

梳理清楚了同步异步方式的实现原理,我们再来看下 Node.js 都怎么提供这两种 api 的:

同步的 api 比较简单,就是调用函数,拿到返回值就行,很多 xxSync 的 api 都是同步的,比如:

代码语言:javascript
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const fs = require('fs');

const data = fs.readFileSync('tmp.txt', 'utf8');
console.log(data);

而异步的 api 则分为了两种形式,callback 和 promise:

代码语言:javascript
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const fs = require('fs');

fs.readFile('tmp.txt', 'utf8', (err, data) => {
    console.log(data);
});

还有 promise 的版本:

代码语言:javascript
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const fsPromises = require('fs').promises;

(async function () {
 const data = await fsPromises.readFile('tmp.txt', 'utf-8');
 console.log(data);
})();

其中 promise 的版本只有两个模块有,fs 和 dns,是在 Node.js 10.x 引入的,方便使用 async、await 来组织代码。

代码语言:javascript
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const dnsPromises = require('dns').promises;

(async function () {
 const result = await dnsPromises.lookup('www.baidu.com');
 console.log(result.address);
})();

用到 fs 和 dns 这两个模块的时候,推荐使用 promise 形式的异步 api,当然,必须是 Node.js 10 以上的版本。

总结

程序在进行 IO 的时候, cpu 是空闲的,为了更好的利用 cpu,操作系统提供了进程、线程的功能,一个线程就是一条控制流。当在 IO 的时候,切换到别的线程,等 IO 结束之后再继续执行的方式就是异步,而相应的一个线程阻塞的等待的方式就是同步。

异步最终是由线程实现的,但是提供给开发者的有两种形式:一种是提供线程 api,让开发者自己管理线程,另一种方式就是提供事件循环,对于异步 api 通过线程来实现。第二种方式对开发者更透明,不需要关心线程的创建和切换。

Node.js 里面的 event loop 的实现是在 libuv,它提供了文件和网络的异步 IO 的 api,从文档中我们可以看到,libuv 是基于操作系统的 api 实现的,而其中一些同步的 api,则是由 libuv 的线程池来执行,达到异步的目的。但是线程池的大小默认是 4,有的时候需要加大,可以通过修改 UV_THREADPOOL_SIZE 的方式。

Node.js 提供的 api 有 3 种形式,一种是同步的,一种是异步 callback、一种是异步 promise。其中异步 promises 的形式是推荐的写法,但是只有在 fs、dns 两个模块可用,并且要在 Node.js 10 以上才行。

希望本文能够帮大家理清异步的本质,libuv 的作用,Node.js api 的形式,以及如何做 libuv 的调优。

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原始发表:2021-08-22,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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