小編給大家分享一下Nodejs中異步I/O的示例分析，相信大部分人都還不怎么了解，因此分享這篇文章給大家參考一下，希望大家閱讀完這篇文章后大有收獲，下面讓我們一起去了解一下吧！

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“異步”這個(gè)名詞其實(shí)在Node之前就已經(jīng)誕生了。但是在絕大多數(shù)高級(jí)編程語言中，異步并不多見。在眾多高級(jí)語言或運(yùn)行平臺(tái)中，將異步作為主要編程方式和設(shè)計(jì)理念的，Node是首個(gè)?！鞠嚓P(guān)推薦：《nodejs 教程》】

異步I/O、事件驅(qū)動(dòng)和單線程構(gòu)成了Node的基調(diào)，而Nginx與Node的事件驅(qū)動(dòng)、異步I/O設(shè)計(jì)理念比較相近。Nginx采用純C編寫，性能表現(xiàn)非常優(yōu)異，具備面向客戶端管理連接的強(qiáng)大能力，但是它的背后依然受限于各種同步方式的編程語言。但Node是全方位的，既可以作為服務(wù)器端去處理客戶端帶來的大量并發(fā)請(qǐng)求，也能作為客戶端向網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)應(yīng)用進(jìn)行并發(fā)請(qǐng)求。

為什么要異步I/O

為什么異步I/O在Node中如此重要，這是因?yàn)镹ode面向網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，在跨網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)下，并發(fā)已經(jīng)是現(xiàn)代編程中的標(biāo)準(zhǔn)配備了。

用戶體驗(yàn)

《高性能JavaScript》中提到過，如果腳本的執(zhí)行時(shí)間超過100毫秒，用戶就會(huì)感到頁面卡頓，以為頁面停止響應(yīng)。而在B/S模型中，網(wǎng)絡(luò)速度的限制給網(wǎng)頁的實(shí)時(shí)體驗(yàn)造成很大的麻煩。

如果網(wǎng)頁臨時(shí)需要獲取一個(gè)資源，通過同步的方式獲取，那么JavaScript則需要等待資源完全從服務(wù)器端獲取后才能繼續(xù)執(zhí)行，這期間UI停頓，不響應(yīng)用戶的交互行為。這樣用戶體驗(yàn)將會(huì)極差。而采用異步請(qǐng)求，在下載資源期間，JavaScript和UI的執(zhí)行都不會(huì)處于等待狀態(tài)，可以繼續(xù)響應(yīng)用戶的交互行為。

同理，前端通過異步可以消除掉UI阻塞現(xiàn)象，但是前端獲取資源的速度也取決于后端的響應(yīng)速度。假如一個(gè)資源來自于兩個(gè)不同位置的數(shù)據(jù)的返回，第一個(gè)資源消耗M毫秒，第二個(gè)資源消耗N毫秒。如果采用同步的方式，獲取兩個(gè)資源消耗的的時(shí)間為M+N毫秒。而采用異步的方式，第一個(gè)資源的獲取并不會(huì)阻塞第二個(gè)資源的獲取，消耗的時(shí)間為max(M,N)。

隨著網(wǎng)站或應(yīng)用不斷膨脹，M與N的值會(huì)線性增長，那么異步的性能將比同步更加優(yōu)越。

資源分配

假設(shè)業(yè)務(wù)場(chǎng)景中有一組互不相關(guān)的任務(wù)需要完成，有以下兩種主流的方法：

• 單線程串行一次執(zhí)行

• 多線程并行完成

如果創(chuàng)建多線程的開銷小于并行執(zhí)行，那么多線程是首選的，但是多線程在創(chuàng)建線程和執(zhí)行期線程上下文切換的開銷較大，而且多線程編程經(jīng)常面臨鎖、狀態(tài)同步等問題。

單線程順序執(zhí)行任務(wù)的缺點(diǎn)在于性能，任意一個(gè)略慢的任務(wù)都會(huì)導(dǎo)致后續(xù)執(zhí)行代碼被阻塞。在計(jì)算機(jī)資源中，通常I/O與CPU計(jì)算之間是可以并行執(zhí)行的，但是同步的編程模型導(dǎo)致I/O的進(jìn)行會(huì)讓后續(xù)任務(wù)等待，造成資源不能被更好的利用。

Node利用單線程，遠(yuǎn)離多線程死鎖、狀態(tài)同步等問題；利用異步I/O，讓單線程遠(yuǎn)離阻塞，更好的利用CPU。

異步I/O實(shí)現(xiàn)

異步I/O在Node中應(yīng)用最為廣泛，但是它并不是Node的原創(chuàng)。

異步I/O與非阻塞I/O

對(duì)于計(jì)算機(jī)內(nèi)核I/O而言，異步/同步和阻塞/非阻塞是兩碼事。

操作系統(tǒng)對(duì)于I/O只有兩種方式：阻塞和非阻塞。在調(diào)用阻塞I/O時(shí)，應(yīng)用程序需要等待I/O完成才返回結(jié)果。

阻塞I/O的一個(gè)特點(diǎn)是調(diào)用之后一定要等到系統(tǒng)內(nèi)核層面完成所有操作之后，調(diào)用才結(jié)束。阻塞I/O造成CPU等待I/O，浪費(fèi)等待時(shí)間，CPU的處理能力不能得到充分利用。

為了提高性能，內(nèi)核提供了非阻塞I/O。非阻塞I/O跟阻塞I/O的差別為調(diào)用之后會(huì)立即返回，非阻塞I/O返回之后，CPU的時(shí)間片可以用來處理其他事物，此時(shí)提升性能是明顯的，但是由于完成的I/O并沒有完成，立即返回的并不是業(yè)務(wù)層期望的數(shù)據(jù)，而僅僅是當(dāng)前的調(diào)用狀態(tài)。

為了獲取完整的數(shù)據(jù)，應(yīng)用程序需要重復(fù)調(diào)用I/O操作來確認(rèn)是否完成。這種重復(fù)調(diào)用判斷操作是否完成的技術(shù)叫做輪詢。

現(xiàn)存的輪詢技術(shù)主要有read、select、poll、epoll和kqueue。這里只講一下epoll的輪詢?cè)怼?/p>

epoll是Linux下效率最高的I/O事件通知機(jī)制，在進(jìn)入輪詢的時(shí)候，如果沒有檢查到I/O事件，將會(huì)進(jìn)行休眠，直到事件發(fā)生將它喚醒。它是真實(shí)利用了事件的通知、執(zhí)行回調(diào)的方式，而不是遍歷查詢，所以不會(huì)浪費(fèi)CPU，執(zhí)行效率較高。

輪詢技術(shù)滿足了非阻塞I/O確保獲取完整數(shù)據(jù)的需求，但是對(duì)于程序而言，它仍然算是一種同步，因?yàn)閼?yīng)用程序仍然需要等待I/O完全返回，依舊花費(fèi)了很多時(shí)間等待。等待期間，CPU要么用于遍歷文件描述符，要么用于休眠等待時(shí)間發(fā)生。

現(xiàn)實(shí)的異步I/O

通過讓部分線程進(jìn)行阻塞I/O或者非阻塞I/O加輪詢技術(shù)來完成數(shù)據(jù)獲取，讓一個(gè)線程進(jìn)行計(jì)算處理，通過線程之間的通信將I/O得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞，這就輕松實(shí)現(xiàn)了異步I/O（雖然這是模擬的）

但是最初，Node在*nix 平臺(tái)下采用了libeio配合libev實(shí)現(xiàn)I/O部分，實(shí)現(xiàn)了異步I/O。在Node v0.9.3中，自行實(shí)現(xiàn)了線程池來完成異步I/O。

而Windows下的IOCP在某種程度上提供了黎翔的異步I/O：調(diào)用異步方法，等待I/O完成之后的通知，執(zhí)行回調(diào)，用戶無需考慮輪詢。但是它的內(nèi)部其實(shí)依然是線程池原理，不同之處在于這些線程池有系統(tǒng)內(nèi)核接手管理。

由于Windows平臺(tái)和*nix平臺(tái)的差異，Node提供了libuv作為抽象封裝層，使得所有平臺(tái)兼容性的判斷都由這一層來完成，并保證上層的Node與下層的自定義線程池及IOCP之間個(gè)字獨(dú)立。

我們時(shí)常提到Node是單線程的，這里的單線程僅僅只是JavaScript執(zhí)行在單線程中。在Node中，無論是*nix還是Windows平臺(tái)，內(nèi)部完成I/O任務(wù)的另有線程池。

Node的異步I/O

完成整個(gè)異步I/O環(huán)節(jié)的有事件循環(huán)、觀察者和請(qǐng)求對(duì)象等。

事件循環(huán)

事件循環(huán)是Node自身的執(zhí)行模型，正式它使得回調(diào)函數(shù)十分普遍。

在進(jìn)程啟動(dòng)時(shí)，Node便會(huì)創(chuàng)建一個(gè)類似于while(true)的循環(huán)，每執(zhí)行一次循環(huán)體的過程我們稱為Tick。每個(gè)Tick的過程就是查看是否有事件待處理，如果有就取出事件及其相關(guān)的回調(diào)函數(shù)。如果存在關(guān)聯(lián)的回調(diào)函數(shù)，就執(zhí)行他們。然后進(jìn)入下個(gè)循環(huán)，如果不再有事件處理，就退出進(jìn)程。

觀察者

每個(gè)事件循環(huán)中有一個(gè)或者多個(gè)觀察者，而判斷是否有事件要處理的過程就是向這些觀察者詢問是否有要處理的事件。

在Node中，事件主要來源于網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求、文件I/O等，這些時(shí)間對(duì)應(yīng)的觀察者有文件I/O觀察者、網(wǎng)絡(luò)I/O觀察者等。觀察者將事件進(jìn)行了分類。

事件循環(huán)是一個(gè)典型的生產(chǎn)者/消費(fèi)者模型。異步I/O、網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求等則是事件的生產(chǎn)者，不斷為Node提供不同類型的事件，這些事件被傳遞到對(duì)應(yīng)的觀察者那里，事件循環(huán)則從觀察者那里取出事件并處理。

請(qǐng)求對(duì)象

對(duì)于Node的異步I/O調(diào)用而言，回調(diào)函數(shù)不由開發(fā)者來調(diào)用。從JavaScript發(fā)起調(diào)用到內(nèi)核執(zhí)行完I/O操作的過渡過程中，存在一種產(chǎn)物，叫做請(qǐng)求對(duì)象

下面用fs.open()方法作為一個(gè)小小的例子。

fs.open = function(path,flags,mode,callback){
    //...
    binding.open(pathModule._makeLong(path),
                    stringToFlags(flags),
                    mode,
                    callback);
}

fs.open()的作用是根據(jù)指定路徑和參數(shù)去打開一個(gè)文件，從而得到一個(gè)文件描述符，這是后續(xù)所有I/O操作的初試操作。JavaScript層面的代碼通過調(diào)用C++核心模塊進(jìn)行下層的操作。

從事JavaScript調(diào)用Node的核心模塊，核心模塊調(diào)用C++模塊，內(nèi)建模塊通過libuv進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用，這里是Node里經(jīng)典的調(diào)用方式。這里libuv作為封裝層，有兩個(gè)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)，實(shí)質(zhì)上是調(diào)用了uv_fs_open()方法。在uv_fs_open()的調(diào)用過程中，將從JavaScript層傳入的參數(shù)和當(dāng)前方法都封裝在一個(gè)請(qǐng)求對(duì)象中，回調(diào)函數(shù)則被設(shè)置在這個(gè)對(duì)象的屬性上。對(duì)象包裝完畢后，將對(duì)象推入線程池等待執(zhí)行。

至此，JavaScript調(diào)用立即返回，由JavaScript層面發(fā)起的異步調(diào)用的第一階段就此結(jié)束。JavaScript線程可以繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)的后續(xù)操作。

請(qǐng)求對(duì)象是異步I/O過程中的重要中間產(chǎn)物，所有的狀態(tài)都保存在這個(gè)對(duì)象中，包括送入線程池等待執(zhí)行以及I/O操作完畢后的回調(diào)處理。

執(zhí)行回調(diào)

組裝好請(qǐng)求對(duì)象、送入I/O線程池等待執(zhí)行，只是完成一部I/O的第一部分，回調(diào)通知是第二部分。

線程池中的I/O操作調(diào)用完畢之后，會(huì)將獲取的結(jié)果存儲(chǔ)在req->result屬性上，然后調(diào)用PostQueueCompletionStatus()通知IOCP，告知當(dāng)前對(duì)象操作已經(jīng)完成。

至此，整個(gè)異步I/O的流程完全結(jié)束。

事件循環(huán)、觀察者、請(qǐng)求對(duì)象、I/O線程池這四者共同構(gòu)成了Node異步I/O模型的基本要素。

以上是“Nodejs中異步I/O的示例分析”這篇文章的所有內(nèi)容，感謝各位的閱讀！相信大家都有了一定的了解，希望分享的內(nèi)容對(duì)大家有所幫助，如果還想學(xué)習(xí)更多知識(shí)，歡迎關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)行業(yè)資訊頻道！