前端进阶全栈-Node的异步IO

2020-01-11 本文已影响0人 stevekeol

本文力图详尽解释node的异步IO：

异步IO的产生背景
Node中的异步IO具体的实现
非I/O的异步API

一.为什么要异步I/O?

Node面向网络而设计，Web应用现如今已不再是单台服务器可以胜任，在跨网络结构下，并发已是现代编程的标配。

以下从“用户体验”和“资源分配”两方面阐述异步I/O的必要性。

1. 用户体验

2. 资源分配

假若业务场景有一组互不相关的任务要完成，有两种方法：

单线程串行依次完成
多线程并行完成

串行执行的缺点：性能上，任意一个稍慢的任务都会导致后续执行代码被阻塞。本可以并行利用CPU等资源，但同步编程模型会因阻塞I/O导致硬件资源得不到更优的使用。

多线程并行的缺点：（1）创建线程和执行期线程上下文切换的开销较大；（2）多线程编程经常面临锁，状态同步等问题。

Node给出的方案：
利用单线程，远离多线程死锁，状态同步等问题；利用异步I/O让单线程原理阻塞，以更好的利用CPU等硬件资源。

二. Node底层是如何实现异步I/O的？

记住四个关键词：

事件循环
观察者
请求对象
线程池

先简洁直白的大致描述一下：

Node发出一个异步调用请求，然后继续执行业务代码；该请求被封装成一个"请求对象"并放入系统的线程池；待有可用线程完成该请求后，将异步结果放入该请求对象，并通知IOCP；每一次"事件循环"中，"观察者"尝试从IOCP中取出可用的"请求对象"并放入事件队列中，并取出该对象中的回调函数和结果作为一个事件调用执行。

1. 事件循环

Node自身的执行模型----事件循环。

在进程启动时，Node便会创建一个类似while(true)的循环，每执行一次循环体的过程称为Tick。每个 Tick的过程就是查看是否有事件待处理，如有，就取出事件并执行这些相关的回调函数。然后进入下一个循环。如果不再有事件处理，就退出进程。

2. 观察者

正如上文提到，如何判断每个Tick过程中，是否有事件需要处理呢？这就引出了”观察者“。

事件循环是一个典型的“生产者/消费者”模型。异步I/O，网络请求等则是事件的生产者，源源不断的为Node提供不同类型的事件，这些事件被传递到对应的观察者那里。事件循环则从观察者那里取出事件并处理。

在windows下，这个循环基于IOCP创建，而在*nix下则基于多进程创建。

3. 请求对象

以fs.open()为例，javascript调用node的核心模块，核心模块调用C++内建模块，内建模块通过libuv进行系统调用。
系统调用中，对应的是uv_fs_open()方法，该方法创建了一个FSReqWrap请求对象。该对象封装了从javascript层传入的参数，当前方法和回调函数等所有的状态。
系统层将该请求对象放入线程池等待执行。
（此时，javascript调用立即返回，即javascript层发起的异步调用的第一阶段到此结束，javascript线程可以继续执行当前任务的后续操作）

4. 执行回调

以上提到，异步I/O的第一阶段：组装请求对象，放入线程池等待执行；
第二阶段：回调通知。

线程池中的I/O操作完成后，会将结果挂载在请求对象上，然后通过PostQuenedCopletedStatus()通知系统层的IOCP，告知当前的操作对象已经操作完成。
Node层在每一次Tick的执行中，会调用IOCP的GetQuenedCompletedStatus()方法检查是否有执行完的请求，如果存在则将该请求对象加入事件队列中，并取出结果和回调函数调用执行。

从以上可看出：Windows下主要是通过IOCP来向系统内核发送已完成的I/O调用和从系统内核中取出已完成的I/O操作，配以事件循环，以此完成异步I/O的操作。

三. 非I/O的异步API

setTimeout()
setInterval()
setImmediate()
process.nextTick()

1. 定时器

调用setTimeout()或setInterval()创建的定时器会被插入到定时器内部的一个红黑树上。每次Tick执行时，会从该红黑树上迭代取出定时器对象，检查是否超过规定时间，如果超过就形成一个事件，并立即执行其回调函数。

2. process.nextTick()

每次调用process.nextTick()会将回调函数放入一个队列数组中，下一次Tick时取出该数组中全部的回调函数并执行。（时间负责度O(1)）

3. setImmediate()

setImmediate()类似于process.nextTick()，都是将回调函数延迟执行。

区别在于：

事件循环对于观察者是有先后顺序的。setImmediate()对应的观察者的优先级低于process.nextTick()对应的观察者。
process.nextTick()的回调函数保存在数组中，setImmediate()的回调函数保存在链表中。行为上，processTick()在每轮循环中会将数组中的回调函数全部取出并执行，而setImmediate()在每轮循环中执行链表中的一个回到函数。

佐证代码：

process.nextTick(funciton() {
  console.log('nextTick延迟执行1')；
})

process.nextTick(funciton() {
  console.log('nextTick延迟执行2')；
})

setImmediate(funciton() {
  console.log('setImmediate延迟执行1');
  process.nextTick(function() {
    console.log('强势插入');
  })
})

setImmediate(fucntion() {
  console.log('setImmediate延迟执行2');
})

console.log('正常执行');

//正常执行
//nextTick延迟执行1
//nextTick延迟执行2
//setImmediate延迟执行1
//强势插入
//setImmediate延迟执行2

四. 总结

事件驱动的本质：通过主循环加事件触发的方式来运行程序。