Node.js机制及原理理解初步

参考链接:http://blog.csdn.net/leftfist/article/details/41891407

node.js优缺点

node.js是单线程。

好处就是

  1. 简单
  2. 高性能,避免了频繁的线程切换开销
  3. 占用资源小,因为是单线程,在大负荷情况下,对内存占用仍然很低
  4. 线程安全,没有加锁、解锁、死锁这些问题

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坏处就是

如何解决高并发?

node使用异步IO和事件驱动(回调函数)来解决这个问题。

一般来说,高并发解决方案会提供多线程模型,为每个业务逻辑提供一个线程,通过系统线程切换来来弥补同步I/O调用的时间开销。像apache,是一个请求一个线程。

而node.js使用的是单线程模型,对所有I/O都采用异步的请求方式,避免频繁的上下文切换,在node.js执行的时候维护着一个事件队列;程序在执行时进入事件循环等待下一个事件到来,每个异步I/O请求完成后都会被推送到事件队列中的等待执行。

对于一个简单的数据库访问操作,传统方式是这样实现的

res = db.query('SELECT * from some_table');
res.output();

代码执行到第一行的时候线程会阻塞,等待query返回结果,然后继续处理。

由于数据库查询、磁盘读写、网络通信等原因(所谓的I/O)阻塞时间会非常大(相对于CPU始终频率)。

对于高并发的访问,一方面线程长期阻塞等待,另一方面为了应付新情求而不断添加新线程,会浪费大量系统资源,同时线程的增加也会也会占用大量的CPU时间来处理内存上下文切换。看看node.js怎么处理

db.query('SELECT * from some_table', function(res) {
   res.output();
});

query的第二个参数是一个回调函数,进程执行到db.query的时候不会等待结果返回,而是直接继续执行下面的语句,直到进入事件循环。当数据库执行结果返回的时候会将事件发送到事件队列,等到线程进入事件循环后才会调用之前的回调函数。

node.js的异步机制是基于事件的,所有的I/O、网络通信、数据库查询都以非阻塞的方式执行,返回结果由事件循环来处理。node.js在同一时刻只会处理一个事件,完成后立即进入事件循环检查后面事件。这样CPU和内存在同一时间集中处理一件事,同时尽量让耗时的I/O等操作并行执行。

事件循环机制

所谓事件循环是指node.js会把所有的异步操作使用事件机制解决,有个线程在不断地循环检测事件队列。

node.js中所有的逻辑都是事件的回调函数,所以node.js始终在事件循环中,程序入口就是事件循环第一个事件的回调函数。

事件的回调函数中可能会发出I/O请求或直接发射( emit)事件,执行完毕后返回事件循环。

事件循环会检查事件队列中有没有未处理的事件,直到程序结束。node.js的事件循环对开发者不可见,由libev库实现,libev不断检查是否有活动的、可供检测的事件监听器,直到检查不到时才退出事件循环,程序结束。

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libuv 是一个高性能事件驱动的程序库,封装了 Windows 和 Unix 平台一些底层特性,为开发者提供了统一的 API.

因此,node.js 是单线程,异步非阻塞。

但毕竟,如何弥补单线程缺陷?是不是有异步非阻塞,就可以高枕无忧了?

不是的。

CPU密集型任务存在短板

如上所述,nodejs的机制是单线程,这个线程里面,有一个事件循环机制,处理所有的请求。

如图所示。在事件处理过程中,它会智能地将一些涉及到IO、网络通信等耗时比较长的操作,交由worker threads去执行,执行完了再回调,这就是所谓的异步IO非阻塞吧。

但是,那些非IO操作,只用CPU计算的操作,它就自己扛了,比如算什么斐波那契数列之类。

它是单线程,这些自己扛的任务要一个接着一个地完成,前面那个没完成,后面的只能干等。因此,对CPU要求比较高的CPU密集型任务多的话,就有可能会造成号称高性能,适合高并发的node.js服务器反应缓慢。

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无法利用CPU的多核

最开始,线程只是用于分配单个处理器处理时间的一种机制。

但假如操作系统本身支持多个CPU/内核,那么每个线程都可以得到一个不同自己的CPU/内核,实现真正的“并行运算”。

在这种情况下,多线程程序可以提高资源使用效率。

Node.js是单线程程序,它只有一个event loop,也只占用一个CPU/内核。

现在大部分服务器都是多CPU或多核的,当Node.js程序的event loop被CPU密集型的任务占用,导致有其它任务被阻塞时,却还有CPU/内核处于闲置的状态,造成资源的浪费。

解决方案

利用原生模块或第三方模块

利用原生模块或第三方模块,开辟进程或子进程,用于处理这些特殊的任务。

如果有异常抛出,因为是单线程,整个项目将不可用。但这归根到底是代码的问题,糟糕的代码,不管什么体系,都会有问题,即使不崩溃。解决办法是用pm2等工具来运行?

nodejs与javascript的关系

nodejs本身不是开发语言,它是一个工具或者平台,在服务器端解释、运行javascript;coffeescript属于nodejs体系,算是一种新的开发语言,但它的目的在于最后编译成javascript。

nodejs利用Google V8来解释运行javascript,但是系统真正执行的代码是用C++写的。javascript做的只是调用这些API而已。因此,并无执行效率的问题。

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nodejs适用场景

RESTful API

这是适合 Node 的理想情况,因为您可以构建它来处理数万条连接。它仍然不需要大量逻辑;它本质上只是从某个数据库中查找一些值并将它们组成一个响应。由于响应是少量文本,入站请求也是少量的文本,因此流量不高,一台机器甚至也可以处理最繁忙的公司的 API 需求。

实时程序

比如聊天服务

聊天应用程序是最能体现 Node.js 优点的例子:轻量级、高流量并且能良好的应对跨平台设备上运行密集型数据(虽然计算能力低)。同时,聊天也是一个非常值得学习的用例,因为它很简单,并且涵盖了目前为止一个典型的 Node.js 会用到的大部分解决方案。

单页APP

ajax很多。现在单页的机制似乎很流行,比如phonegap做出来的APP,一个页面包打天下的例子比比皆是。

总而言之,NodeJS适合运用在高并发、I/O密集、少量业务逻辑的场景

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