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nodejs中异步


1 nodejs 中的异步存在吗?

现在有点 javascript 基础的人都在听说过 nodejs ,而只要与 javascript 打交到人都会用或者是将要使用 nodejs 。毕竟 nodejs 的生态很强大,与 javascript 相关的工具也做的很方便,很好用。

javascript 语言很小巧,但是一旦与 nodejs 中的运行环境放在一起,有些概念就很难理解,特别是异步的概念。有人会说不会啊,很好理解啊?不就是一个ajax请求加上一个回调函数,这个ajax函数就是能异步执行的函数,他在执行完了就会调用回调函数,我承认这个样做是很容易,早些时候我甚至认为在 javascript 中加了回调函数的函数都可以异步的,异步和回调函数成对出现。多么荒谬的理解啊!

直到有一天,我在写程序时想到一个问题:在 nodejs 中在不调用系统相关 I/O ,不调用 c++ 写的 plugin 的情况下,写一个异步函数?我查了资料,有人给我的答案是调用 setTimeout(fn,delay) 就变成了异步了。但是我还是不明白为什么要调用这样一个函数,这个函数的语义跟async完全不一样,为什么这样就行?

带着这个疑问,我查了很多资料,包括官方文档,代码,别人的blog。慢慢的理解,最后好像是知道了为什么会是这样,整篇文章就是对所了解东西的理解。恳请大家批评指正。

说明:nodejs 的文档是用的 v5.10.1 API,而代码方面:nodejs 和 libuv 是用的 master 分支。

2 nodejs 的架构基础

在探索 nodejs 的异步时,首先需要对 nodejs 架构达成统一认识:

  1. nodejs 有 javascript 的运行环境,目前它的实现是 chrome 的 V8 引擎。
  2. nodejs 基于事件驱动和非阻塞 I/O 模型,目前它的实现是 libuv。
  3. 当前的 libuv 是多线程的,文档中有说明。
  4. nodejs 在运行时只生成了一个 javascript 运行环境 的实例,也就是说 javascript 解释器只有一个。
  5. nodejs 在主线程中调用 V8 引擎的实例执行 javascript 代码。

如果以上 5 点你不认同的话,那下面就不需要看了,看了会觉得漏洞百出。

上面的 5 点主要说明另一层意思了:

  1. nodejs 的 javascript 运行环境可以换,在 nodejs 官方 github
    中 PR,可以看这个,微软想把 javascript 运行环境换成自己家的。
  2. nodejs 的事件驱动和非阻塞 I/O 模型也可以换,目前来看 libuv 运行的不错,大家都很高兴。另外,你可能不知道,chromium 和 chrome 中使用了另一个实现 libevent2,证据在这里:链接
  3. nodejs 不是单线程,它是多线程程序,因为 libuv 就已经是多线程了。
  4. 因为是嵌入式 js 引擎,只能调用宿主环境中提供的方法。当前来说,nodejs 主要把 libuv 的 io/timer 接口提供给了 js 引擎,其他的没有提供(包括 libuv 的工作线程)。
  5. nodejs 也没有提供给 js引擎 新建调用系统线程的任何方法,所以在nodejs中执行 javascript,是没有办法新开线程的。
  6. js 引擎只有一个实例且在 nodejs 的主线程中调用。

结论

  1. nodejs 中存在异步,集中在 I/O 和 Timer 调用这一块,其他的地方没有。
  2. js 引擎没有异步或者并行执行可能,因为 js 引擎是在 nodejs 的主线程调用,所以 js 引擎执行的 javascript 代码都是同步执行,没有异步执行。所以你想写出来一个不调用 I/O和 的异步方法,不可能。

那nodejs中常谈的异步回调是怎么回事?

3 nodejs 中的回调和异步的关系是什么?

在 javascript 中使用回调函数可所谓登峰造极,基本上所有的异步函数都会要求有一个回调函数,以至于写 javascript 写多了,看到回调函数的接口,都以为是异步的调用。

但是真相是回调函数,只是javascript 用来解决异步函数调用如何处理返回值这个问题的方法,或这样来说:异步函数调用如何处理返回值这个问题上,在系统的设计方面而言,有很多办法,而 nodejs 选择了 javascript 的传统方案,用回调函数来解决这个问题

这个选择好不好,我认为在当时来说,很合适。但随着 javascript 被用来写越来越大的程序,这个选择不是一个好的选择,因为回调函数嵌套多了真的很难受,我觉得主要是很难看,(就跟 lisp 的 )))))))))))) ),让一般人不好接受,现在情况改善多了,因为有了Promise。

结论

  1. 回调函数与异步没有关系,只是在 javascript 中用来解决异步的返回值的问题,所以异步函数必须带一个回调函数,他们成对出现,让人以为有关系。
  2. 在 javascript 中有回调不一定是异步函数,而异步必须带一个回调函数。

4 nodejs 中怎样解决异步的问题?

前面也说了,nodejs 的 js 引擎不能异步执行 javascript 代码。那js中我们常使用的异步是什么意思的?

答案分为两部分:

第一部分:与I/O和timer相关的任务,js引擎确实是异步,调用时委托 libuv 进行 I/O 和timer 的相关调用,好了之后就通知 nodejs,nodejs 然后调用 js 引擎执行 javascript 代码;

第二部分:其它部分的任务,js 引擎把异步概念(该任务我委托别人执行,我接着执行下面的任务,别人执行完该任务后通知我)弱化成稍后执行(该任务我委托自己执行但不是现在,我接着执行下面的任务,该任务我稍后会自己执行,执行完成后通知我自己)的概念。

这就是 js 引擎中异步的全部意思。基本上等同我们常说的:我马上做这件事。不过还是要近一步解释一下第二部分:

  1. 任务不能委托给别人,都是自己做。
  2. 如果当前我做的事件需要很长时间,那我马上要做的事一直推迟,等我做了完手头这件事再说。

nodejs 中 js 引擎把异步变成了稍后执行,使写 javascript 程序看起来像异步执行,但是并没有减少任务,因此在 javascript 中你不能写一个需要很长时间计算的函数(计算Pi值1000位,大型的矩阵计算),或者在一个tick(后面会说)中执行过多的任务,如果你这样写了,整个主线程就没有办法响应别的请求,反映出来的情况就是程序卡了,当然如果非要写当然也有办法,需要一些技巧来实现。

而 js 引擎稍后执行稍后到底是多久,到底执行哪些任务?这些问题就与 nodejs 中四个重要的与时间有关的函数有关了,他们分别是:setTimeout,setInterval,process.nextTick,setImmediate。下面简单了解一下这四个函数:

setTimeout 和 setInterval

setImeout 主要是延迟执行函数,其中有一个比较特别的调用:setTimeout(function(){/* code */},0),经常见使用,为什么这样使用看看后面。还有 setInterval 周期性调用一个函数。

setImmediate 和 process.nextTick

setImmediate 的意思翻译过来是立刻调用的意思,但是官方文档的解释是:

Schedules “immediate” execution of callback after I/O events’ callbacks and before timers set by setTimeout and setInterval are triggered.

翻译过来大意就是:被 setImmediate 的设置过的函数,他的执行是在 I/O 事件的回调执行之后,在 计时器触发的回调执行之前,也就是说在 setTimeout 和 setInterval 之前,好吧这里还有一个顺序之分。

process.nextTick 可就更怪了。官方的意思是:

It runs before any additional I/O events (including timers) fire in subsequent ticks of the event loop.

翻译过来大意就是:他运行在任何的 I/O 和定时器的 subsequent ticks 之前。

又多了很多的概念,不过别慌,在下面会讲 nodejs 的EventLoop,这里讲的很多的不理解地方就会在 EventLoop 中讲明白。

5 nodejs 中神秘的 EventLoop

EvevtLoop大体上来说就是一个循环,它不停的检查注册到他的事件有没有发生,如果发生了,就执行某些功能,一次循环通常叫tick。这里有讲EventLoop,还有这里

在 nodejs 中也存在这样一个 EventLoop,不过它是在 libuv 中。它每一次循环叫 tick。而在每一次 tick 中会有不同的阶段,每一个阶段可以叫 subTick,也就说是这个tick的子tick,libuv就有很多的子 tick,如I/O 和定时器等。下面我用一张图来表示一下,注意该循环一直在 nodejs 的主线程中运行:

    +-------------+     |             |     |             |     |       +-----v----------------------+     |       |                            |     |       | uv__update_time(loop)      |  subTick     |       |                            |     |       +-----+----------------------+     |             |     |             |     |       +-----v----------------------+     |       |                            |     |       | uv__run_timers(loop)       |  subTick     |       |                            | tick|       +-----+----------------------+     |             |     |             |     |       +-----v----------------------+     |       |                            |     |       | uv__io_poll(loop, timeout) |  subTick     |       |                            |     |       +-----+----------------------+     |             |     |             |     |       +-----v----------------------+     |       |                            |     |       | uv__run_check(loop)        |  subTick     |       |                            |     |       +-----+----------------------+     |             |     |             |     |             |     +-------------+

以上的流程图已经进行了裁减,只保留重要的内容,如果你想详细了解,可在 libuv/src/unix/core.cc,第334行:uv_run函数进行详细了解。

下面来解释一下各个阶段的作用:

uv__update_time是用来更新定时器的时间。uv__run_timers是用来触发定时器,并执行相关函数的地方。uv__io_poll是用来 I/O触发后执行相关函数的地方。
uv__run_check的用处代码中讲到。

了解到 nodejs 中 EventLoop 的执行阶段后,需要更深一步了解在 nodejs 中 js引擎和EvevtLoop是如何被整合在一起工作的。以下是一些伪代码,它用来说明一些机制。

不过你需要知道在 nodejs 中 setTimeout、setInterval、setImmediate和process.nextTick都是系统级的调用,也就是他们都是c++ 来实现的。setTimeout和setInterval 可看看这个文件:timer_wrap.cc。另外两个我再补吧。

class V8Engine {   let _jsVM;    V8Engine(){      _jsVM = /*js 执行引擎 */;   }    void invoke(handlers){   // 依次执行,直到 handlers 为空     handlers.forEach(handler,fun => _jsVM.run(handler));   } }  class EvenLoop {   let _jsRuntime = null;   let _callbackHandlers = []; 【1】   let _processTickHandlers = []; 【2】   let _immediateHandlers = []; 【3】    // 构造函数   EvenLoop(jsRuntime){    _jsRuntime = jsRuntime;   }    void start(){     where(true){       _jsRuntime.invoke(_processTickHandlers); 【4】       _processTickHandlers.clear();        update_time();       run_timer();        run_pool();       run_check();        if (process.exit){         _jsRuntime.invoke(_processTickHandlers); 【5】         _processTickHandlers.clear();         break;       }     }   }    void update_time(){       //  更新 timer 的时间   }    void run_timer(){ 【6】     let handlers = getTimerHandler();      _callbackHandlers.push(handlers);     _jsRuntime.invoke(_callbackHandlers);     _jsRuntime.invoke(_processTickHandlers);     _callbackHandlers.clear();     _processTickHandlers.clear();   }    void run_pool(){  【6】     let handlers = getIOHandler();      _callbackHandlers.push(handlers);     _jsRuntime.invoke(_callbackHandlers);     _jsRuntime.invoke(_processTickHandlers);     _callbackHandlers.clear();     _processTickHandlers.clear();   }    void run_check(){  【7】     let handlers = getImmediateHandler();     _immediateHandlers.push(handlers);     _jsRuntime.invoke(_immediateHandlers);     _immediateHandlers.clear();   }  }  main(){   JsRuntime jsRuntime = new V8Engine();   EventLoop eventLoop = new EventLoop(jsRuntime);   eventLoop.start(); }  // 主线程中执行 main();

以上代码是 nodejs 的粗略的执行过程,还想进一步了解,可以看这从入口函数看起:node_main.cc

按标号进行说明:

  1. 全局的回调事件先进先出队列,包括了 I/O 事件和 Timer 事件的回调对象。
  2. 全局的nextTick的回调对象先进先出队列。
  3. 全局的setImmediate的回调对象先进先出队列。
  4. 开始时会执行 nextTick的队列。
  5. 程序退出时会执行 nextTick的队列。
  6. 可以看出nextTick队列会在run_timerrun_pool之后执行。回到第三节说的nextTick的执行时机,看出来该队列确实会在 I/O 和 Timer 之前运行。在文档中特别说明如果你递归调用 nextTick 会阻 I/O 事件的调用就像调用了 loop。依照上面的伪代码,发现如果你递归调用nextTick,那nextTick回调对象先进先出队列就不会为空,js 引擎就一直在执行,影响之后的代码执行。
  7. setImmediate 回调对象先进先出队列,每一次 tick 就执行一次。

可以从代码中看出这四个时间函数执行时机的区别,而setTimeout(fn,0)是在 _callbackHandlers的队列中,而setImmediate,还有 nextTick 都在不同的队列中执行。

总体来说,nextTick执行最快,而setTmmediate能保证每次tick都执行,而setTimeout是 libuv 的 Timber 保证,可能会有所延迟。

相关链接

  1. 有人觉得得 process.nextTick 名不副实,得改个名字,变成 process.currentTick,没有通过,理由是太多的代码依赖这个函数了,没有办法改名字,这里
  2. 如果你觉得 EventLoop 我说的不清楚,你还可以看看这篇博客:链接
  3. 如果你觉得 setImmediate 和 nextTick 说的不清楚,可以看这:链接
  4. 这个也可以:链接
  5. Synchronously asynchronous
  6. designing-apis-for-asynchrony

6 nodejs 回调和大数据与大计算量的解决方案

回调解决方案- promise

我相信你一但用了promise,你就回不去以往的回调时代,promise 非常好使用,强列推荐使用。如果你还想了解promise怎么实现的,我给你透个底,必不可少setTimeout这个函数,可以参考 Q promise的设计文档,还有一步步来手写一个Promise也不错。

大数据与大计算量的解决方案 – 分片数据或者分片计算

如果要写一个处理数据量很大的任务,我想这个函数可以给你思路:

yielding processes

function chunk(array,process,context){   setTimeout(function(){     var item = array.shift();     process.call(context,item);      if (array.length >0){       setTimeout(arguments.callee,100);     }   },100) }

函数节流

如果要写一个计算量很大的任务,这个函数也可以给你思路:

var process = {   timeout = null,    // 实际进行处理的方法   performProcessing:function(){     // 实际执行的代码   },    // 初始处理调用的方法   process:function(){     clearTimeout(this.timeoutId);      var that = this;     this.timeoutId = setTimeout(function(){       that.performProcessing();     },100)   } }

这两个函数是从JavaScript高级程序设计第612-615页摘出来的,本质是不要阻塞了Javascript的事件循环,把任务分片了。

做服务器请求多了,使用 cluster 模块

cluster 的方案就是多进程方案。cluster 能包证每个请求被一个 nodejs 实例处理。这样就能减少每个 nodejs 的处理的数据量。

7 总结

从现在来看 nodejs 架构中对 js 引擎不支持线程调用是一个较大的遗憾,意味着在 nodejs 中你甚至不能做一个很大的计算量的事。不过又说回来,这也是一件好事。因为这样做的,使 javascript 变简单,写 js 不需要考虑锁的事情,想想在 java 中集合类加锁,你还要考虑同步,你还要考虑死锁,我觉得写 js 的人都很幸福。

其他语言

同样的问题也出现在 python、ruby 和 php 上。这些语言在当前的主流版本(用c实现的版本)中都默认一把大锁 GIL,所有的代码都是主线程中运行,代码都是线程安全的,基本上第三方库也利用这个现实。导致的事实是它们都没有办法很好的利用现在的多核计算机,多么悲剧的事情啊!

不过好在,计算这事情,它们干不了,还有人来干,就是老大哥 c、c++还有 java 了。你没有看到分布式计算领域和大数据中核心计算被老大哥占领,其他是想占也占不了,不是不想占,是有心无力。

就目前的分析,我觉得这篇文章说的很对。

未来发展

当前 nodejs 的发展还是在填别的语言中经历过的坑,因为 nodejs 发展毕竟才七年的时间(2009年建立),流行也才是近几年的事情。不过 nodejs 的进步很快(后发优势),做一个轻量级的网页应用已经是继 python、ruby、php之后的另一个选择了,可喜可贺。

但是如果还要更近一步发展,那就必须解决计算这个问题。当前 javascript 对于这个问题的解决基本还是按着沿用 python、ruby 和 php 走过的路线走下去,采用单线程协程的方案,也就是 yieldasync/wait 方案。在这之后,也基本上会采用多线程方案 worker 。从这样的发展来看,未来的 nodejs 与 python、ruby、php 是并驾齐驱的解决方案,不见得比 python、ruby 和 php 更好,它们都差不多,唯一不同的是我们又多了一种选择而已。

想到程序员在论坛上问:新手学习网站开发,javacript、python、ruby和 php 哪个好?我想说如果有师博他说什么好就学什么,如果没有师博那就学 javascript 吧,因为你不用再去学一门后端的语言了。

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