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nodejs 异步I/O和事件驱动

nodejs 异步I/O和事件驱动

注:本文是对众多博客的学习和总结,可能存在理解错误。请带着怀疑的眼光,同时如果有错误希望能指出。

接触 nodejs 有两个月,对 nodejs 的两大特性一直有点模糊,即 异步IO事件驱动 。通过对 《深入浅出nodejs》 和几篇博客的阅读以后,有了大致的了解,总结一下。

几个例子

在开始之前,先来看几个简单例子,这也是我在使用 nodejs 时候遇到的几个比较困惑的例子。

example 1

var fs = require("fs"); var debug = require('debug')('example1');  debug("begin");  setTimeout(function(){     debug("timeout1"); });  setTimeout(function(){     debug("timeout2"); });  debug('end'); /** 运行结果 Sat, 21 May 2016 08:41:09 GMT example1 begin Sat, 21 May 2016 08:41:09 GMT example1 end Sat, 21 May 2016 08:41:09 GMT example1 timeout1 Sat, 21 May 2016 08:41:09 GMT example1 timeout2 */

question 1

为何 timeout1timeout2 的结果会在 end 后面?

example 2

var fs = require("fs"); var debug = require('debug')('example2');  debug("begin");  setTimeout(function(){     debug("timeout1"); });  setTimeout(function(){     debug("timeout2"); });  debug('end');  while(true); /**  运行结果 Sat, 21 May 2016 08:45:47 GMT example2 begin Sat, 21 May 2016 08:45:47 GMT example2 end */

question 2

为何 timeout1timeout2 没有输出到终端? while(true) 到底阻塞了什么?

example 3

var fs = require("fs"); var debug = require('debug')('example3');  debug("begin");  setTimeout(function(){     debug("timeout1");     while (true); });  setTimeout(function(){     debug("timeout2"); });  debug('end'); /**  运行结果 Sat, 21 May 2016 08:49:12 GMT example3 begin Sat, 21 May 2016 08:49:12 GMT example3 end Sat, 21 May 2016 08:49:12 GMT example3 timeout1 */

question 3

为什么 timeout1 中回调函数会阻塞 timeout2 中的回调函数的执行?

example 4

var fs = require("fs"); var debug = require('debug')('example4');  debug("begin");  setTimeout(function(){     debug("timeout1");     /**      * 模拟计算密集      */     for(var i = 0 ; i < 1000000 ; ++i){         for(var j = 0 ; j < 100000 ; ++j);     } });  setTimeout(function(){     debug("timeout2"); });  debug('end'); /** Sat, 21 May 2016 08:53:27 GMT example4 begin Sat, 21 May 2016 08:53:27 GMT example4 end Sat, 21 May 2016 08:53:27 GMT example4 timeout1 Sat, 21 May 2016 08:54:09 GMT example4 timeout2  //注意这里的时间晚了好久 */

question 4

和上面的问题一样,为何 timeout1 的计算密集型工作将会阻塞 timeout2 的回调函数的执行?

example 5

var fs = require("fs"); var debug = require('debug')('example5');  debug("begin");  fs.readFile('package.json','utf-8',function(err,data){     if(err)           debug(err);     else         debug("get file content"); });  setTimeout(function(){     debug("timeout2"); });  debug('end'); /** 运行结果 Sat, 21 May 2016 08:59:14 GMT example5 begin Sat, 21 May 2016 08:59:14 GMT example5 end Sat, 21 May 2016 08:59:14 GMT example5 timeout2 Sat, 21 May 2016 08:59:14 GMT example5 get file content */

question 5

为何读取文件的 IO 操作不会阻塞 timeout2 的执行?

接下来我们就带着上面几个疑惑去理解 nodejs 中的 异步IO事件驱动 是如何工作的。

异步IO(asynchronous I/O)

首先来理解几个容易混淆的概念, 阻塞IO(blocking I/O)非阻塞IO(non-blocking I/O)同步IO(synchronous I/O)和异步IO(synchronous I/O)

博主一直天真的以为 非阻塞I/O 就是 异步I/O T_T, apue 一直没有读懂。

阻塞I/O 和 非阻塞I/O

简单来说, 阻塞I/O 就是当用户发一个读取文件描述符的操作的时候,进程就会被阻塞,直到要读取的数据全部准备好返回给用户,这时候进程才会解除 block 的状态。

非阻塞I/O 呢,就与上面的情况相反,用户发起一个读取文件描述符操作的时,函数立即返回,不作任何等待,进程继续执行。但是程序如何知道要读取的数据已经准备好了呢?最简单的方法就是轮询。

除此之外,还有一种叫做 IO多路复用 的模式,就是用一个阻塞函数同时监听多个文件描述符,当其中有一个文件描述符准备好了,就马上返回,在 linux 下, select , poll , epoll 都提供了 IO多路复用 的功能。

同步I/O 和 异步I/O

那么 同步I/O异步I/O 又有什么区别么?是不是只要做到 非阻塞IO 就可以实现 异步I/O 呢?

其实不然。

  • 同步I/O(synchronous I/O)I/O operation 的时候会将process阻塞,所以 阻塞I/O非阻塞I/OIO多路复用I/O 都是 同步I/O

  • 异步I/O(asynchronous I/O)I/O opertaion 的时候将不会造成任何的阻塞。

非阻塞I/O 都不阻塞了为什么不是 异步I/O 呢?其实当 非阻塞I/O 准备好数据以后还是要阻塞住进程去内核拿数据的。所以算不上 异步I/O

这里借一张图(图来自这里)来说明他们之间的区别

nodejs 异步I/O和事件驱动 ][1]

更多IO更多的详细内容可以在这里找到:

事件驱动

事件驱动(event-driven)nodejs 中的第二大特性。何为 事件驱动 呢?简单来说,就是通过监听事件的状态变化来做出相应的操作。比如读取一个文件,文件读取完毕,或者文件读取错误,那么就触发对应的状态,然后调用对应的回掉函数来进行处理。

线程驱动和事件驱动

那么 线程驱动 编程和 事件驱动 编程之间的区别是什么呢?

  • 线程驱动 就是当收到一个请求的时候,将会为该请求开一个新的线程来处理请求。一般存在一个线程池,线程池中有空闲的线程,会从线程池中拿取线程来进行处理,如果线程池中没有空闲的线程,新来的请求将会进入队列排队,直到线程池中空闲线程。

  • 事件驱动 就是当进来一个新的请求的时,请求将会被压入队列中,然后通过一个循环来检测队列中的事件状态变化,如果检测到有状态变化的事件,那么就执行该事件对应的处理代码,一般都是回调函数。

对于 事件驱动 编程来说,如果某个时间的回调函数是 计算密集型 ,或者是 阻塞I/O ,那么这个回调函数将会阻塞后面所有事件回调函数的执行。这一点尤为重要。

nodejs的事件驱动和异步I/O

事件驱动模型

上面介绍了那么多的概念,现在我们来看看 nodejs 中的 事件驱动异步I/O 是如何实现的.

nodejs单线程(single thread) 运行的,通过一个 事件循环(event-loop) 来循环取出 消息队列(event-queue) 中的消息进行处理,处理过程基本上就是去调用该 消息 对应的回调函数。 消息队列 就是当一个事件状态发生变化时,就将一个消息压入队列中。

nodejs 的时间驱动模型一般要注意下面几个点:

  • 因为是 单线程 的,所以当顺序执行 js 文件中的代码的时候, 事件循环 是被暂停的。

  • js 文件执行完以后, 事件循环 开始运行,并从 消息队列 中取出消息,开始执行回调函数

  • 因为是 单线程 的,所以当回调函数被执行的时候, 事件循环 是被暂停的

  • 当涉及到I/O操作的时候, nodejs 会开一个独立的线程来进行 异步I/O 操作,操作结束以后将消息压入 消息队列

下面我们从一个简单的 js 文件入手,来看看 nodejs 是如何执行的。

var fs = require("fs"); var debug = require('debug')('example1');  debug("begin");  fs.readFile('package.json','utf-8',function(err,data){     if(err)           debug(err);     else         debug("get file content"); });  setTimeout(function(){     debug("timeout2"); });  debug('end'); // 运行到这里之前,事件循环是暂停的
  1. 同步执行 debug("begin")

  2. 异步调用 fs.readFile() ,此时会开一个新的线程去进行 异步I/O 操作

  3. 异步调用 setTimeout() ,马上将超时信息压入到 消息队列

  4. 同步调用 debug("end")

  5. 开启 事件循环 ,弹出 消息队列 中的信息(目前是超时信息)

  6. 然后执行信息对应的回调函数( 事件循环 又被暂停)

  7. 回调函数执行结束后,开始 事件循环 (目前 消息队列 中没有任何东西,文件还没读完)

  8. 异步I/O 读取文件完毕,将消息压入 消息队列( 消息中含有文件内容或者是出错信息)

  9. 事件循环取得消息,执行回调

  10. 程序退出。

这里借一张图来说明 nodejs 的事件驱动模型(图来自 这里

nodejs 异步I/O和事件驱动

][2]

这里最后要说的一点就是如何手动将一个函数推入队列, nodejs 为我们提供了几个比较方便的方法:

  • setTimeout()

  • process.nextTick()

  • setImmediate()

异步I/O

nodejs 中的 异步I/O 的操作是通过 libuv 这个库来实现的,包含了 windowlinux 下面的 异步I/O 实现,博主也没有研究过这个库,感兴趣的读者可以移步到 这里

问题答案

好,到目前为止,已经可以回答上面的问题了

question 1

为何 timeout1timeout2 的结果会在end后面?

answer 1

因为此时 timeout1timeout2 只是被异步函数推入到了队列中, 事件循环 还是暂停状态

question 2

为何 timeout1timeout2 没有输出到终端? while(true) 到底阻塞了什么?

answer 2

因为此处直接阻塞了 事件循环 ,还没开始,就已经被阻塞了

question 3,4

  1. 为什么 timeout1 中回调函数会阻塞 timeout2 中的回调函数的执行?

  2. 为何 timeout1 的计算密集型工作将会阻塞 timeout2 的回调函数的执行?

answer 3,4

因为该回调函数执行返回 事件循环 才会继续执行,回调函数将会阻塞事件循环的运行

question 5

为何读取文件的IO操作不会阻塞 timeout2 的执行?

answer 5

因为 IO 操作是异步的,会开启一个新的线程,不会阻塞到 事件循环

参考文献:

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