Node 最初是為打造高性能的 Web 服務(wù)器而生，作為 JavaScript 的服務(wù)端運(yùn)行時(shí)，具有事件驅(qū)動(dòng)、異步 I/O、單線程等特性?；谑录h(huán)的異步編程模型使 Node 具備處理高并發(fā)的能力，極大地提升服務(wù)器的性能，同時(shí)，由于保持了 JavaScript 單線程的特點(diǎn)，Node 不需要處理多線程下狀態(tài)同步、死鎖等問題，也沒有線程上下文切換所帶來的性能上的開銷?；谶@些特性，使 Node 具備高性能、高并發(fā)的先天優(yōu)勢(shì)，并可基于它構(gòu)建各種高速、可伸縮網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用平臺(tái)。

本文將深入 Node 異步和事件循環(huán)的底層實(shí)現(xiàn)和執(zhí)行機(jī)制，希望對(duì)你有所幫助。

為什么要異步？

Node 為什么要使用異步來作為核心編程模型呢？

前面說過，Node 最初是為打造高性能的 Web 服務(wù)器而生，假設(shè)業(yè)務(wù)場(chǎng)景中有幾組互不相關(guān)的任務(wù)要完成，現(xiàn)代主流的解決方式有以下兩種：

• 單線程串行依次執(zhí)行。

• 多線程并行完成。

單線程串行依次執(zhí)行，是一種同步的編程模型，它雖然比較符合程序員按順序思考的思維方式，易寫出更順手的代碼，但由于是同步執(zhí)行 I/O，同一時(shí)刻只能處理單個(gè)請(qǐng)求，會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器響應(yīng)速度較慢，無法在高并發(fā)的應(yīng)用場(chǎng)景下適用，且由于是阻塞 I/O，CPU 會(huì)一直等待 I/O 完成，無法做其他事情，使 CPU 的處理能力得不到充分利用，最終導(dǎo)致效率的低下，

而多線程的編程模型也會(huì)因?yàn)榫幊讨械臓顟B(tài)同步、死鎖等問題讓開發(fā)人員頭疼。盡管多線程在多核 CPU 上能夠有效提升 CPU 的利用率。

雖然單線程串行依次執(zhí)行和多線程并行完成的編程模型有其自身的優(yōu)勢(shì)，但是在性能、開發(fā)難度等方面也有不足之處。

除此之外，從響應(yīng)客戶端請(qǐng)求的速度出發(fā)，如果客戶端同時(shí)獲取兩個(gè)資源，同步方式的響應(yīng)速度會(huì)是兩個(gè)資源的響應(yīng)速度之和，而異步方式的響應(yīng)速度會(huì)是兩者中最大的一個(gè)，性能優(yōu)勢(shì)相比同步十分明顯。隨著應(yīng)用復(fù)雜度的增加，該場(chǎng)景會(huì)演變成同時(shí)響應(yīng) n 個(gè)請(qǐng)求，異步相比于同步的優(yōu)勢(shì)將會(huì)凸顯出來。

綜上所述，Node 給出了它的答案：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，以更好地使用 CPU。這就是 Node 使用異步作為核心編程模型的原因。

此外，為了彌補(bǔ)單線程無法利用多核 CPU 的缺點(diǎn)，Node 也提供了類似瀏覽器中 Web Workers 的子進(jìn)程，該子進(jìn)程可以通過工作進(jìn)程高效地利用 CPU。

如何實(shí)現(xiàn)異步？

聊完了為什么要使用異步，那要如何實(shí)現(xiàn)異步呢？

我們通常所說的異步操作總共有兩類：一是像文件 I/O、網(wǎng)絡(luò) I/O 這類與 I/O 有關(guān)的操作；二是像 setTimeOut、setInterval 這類與 I/O 無關(guān)的操作。很明顯我們所討論的異步是指與 I/O 有關(guān)的操作，即異步 I/O。

異步 I/O 的提出是期望 I/O 的調(diào)用不會(huì)阻塞后續(xù)程序的執(zhí)行，將原有等待 I/O 完成的這段時(shí)間分配給其余需要的業(yè)務(wù)去執(zhí)行。要達(dá)到這個(gè)目的，就需要用到非阻塞 I/O。

阻塞 I/O 是 CPU 在發(fā)起 I/O 調(diào)用后，會(huì)一直阻塞，等待 I/O 完成。知道了阻塞 I/O，非阻塞 I/O 就很好理解了，CPU 在發(fā)起 I/O 調(diào)用后會(huì)立即返回，而不是阻塞等待，在 I/O 完成之前，CPU 可以處理其他事務(wù)。顯然，相比于阻塞 I/O，非阻塞 I/O 多于性能的提升是很明顯的。

那么，既然使用了非阻塞 I/O，CPU 在發(fā)起 I/O 調(diào)用后可以立即返回，那它是如何知道 I/O 完成的呢？答案是輪詢。

為了及時(shí)獲取 I/O 調(diào)用的狀態(tài)，CPU 會(huì)不斷重復(fù)調(diào)用 I/O 操作來確認(rèn) I/O 是否已經(jīng)完成，這種重復(fù)調(diào)用判斷操作是否完成的技術(shù)就叫做輪詢。

顯然，輪詢會(huì)讓 CPU 不斷重復(fù)地執(zhí)行狀態(tài)判斷，是對(duì) CPU 資源的浪費(fèi)。并且，輪詢的間間隔很難控制，如果間隔太長(zhǎng)，I/O 操作的完成得不到及時(shí)的響應(yīng)，間接降低應(yīng)用程序的響應(yīng)速度；如果間隔太短，難免會(huì)讓 CPU 花在輪詢的耗時(shí)變長(zhǎng)，降低 CPU 資源的利用率。

因此，輪詢雖然滿足了非阻塞 I/O 不會(huì)阻塞后續(xù)程序的執(zhí)行的要求，但是對(duì)于應(yīng)用程序而言，它仍然只能算是一種同步，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)間來等待。

我們所期望的完美的異步 I/O，應(yīng)該是應(yīng)用程序發(fā)起非阻塞調(diào)用，無須通過輪詢的方式不斷查詢 I/O 調(diào)用的狀態(tài)，而是可以直接處理下一個(gè)任務(wù)，在 I/O 完成后通過信號(hào)量或回調(diào)將數(shù)據(jù)傳遞給應(yīng)用程序即可。

如何實(shí)現(xiàn)這種異步 I/O 呢？答案是線程池。

雖然本文一直提到，Node 是單線程執(zhí)行的，但此處的單線程是指 JavaScript 代碼是執(zhí)行在單線程上的，對(duì)于 I/O 操作這類與主業(yè)務(wù)邏輯無關(guān)的部分，通過運(yùn)行在其他線程的方式實(shí)現(xiàn)，并不會(huì)影響或阻塞主線程的運(yùn)行，反而可以提高主線程的執(zhí)行效率，實(shí)現(xiàn)異步 I/O。

通過線程池，讓主線程僅進(jìn)行 I/O 的調(diào)用，讓其他多個(gè)線程進(jìn)行阻塞 I/O 或者非阻塞 I/O 加輪詢技術(shù)完成數(shù)據(jù)獲取，再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：

主線程進(jìn)行 I/O 調(diào)用，而線程池進(jìn)行 I/O 操作，完成數(shù)據(jù)的獲取，然后通過線程之間的通信將數(shù)據(jù)傳遞給主線程，即可完成一次 I/O 的調(diào)用，主線程再利用回調(diào)函數(shù)，將數(shù)據(jù)暴露給用戶，用戶再利用這些數(shù)據(jù)來完成業(yè)務(wù)邏輯層面的操作，這就是 Node 中一次完整的異步 I/O 流程。而對(duì)于用戶來說，不必在意底層這些繁瑣的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，只需要調(diào)用 Node 封裝好的異步 API，并傳入處理業(yè)務(wù)邏輯的回調(diào)函數(shù)即可，如下所示：

const fs = require("fs");  fs.readFile('example.js', (data) => {   // 進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯的處理 });

Nodejs 的異步底層實(shí)現(xiàn)機(jī)制在不同平臺(tái)下有所不同：Windows 下主要通過 IOCP 來向系統(tǒng)內(nèi)核發(fā)送 I/O 調(diào)用和從內(nèi)核獲取已完成的 I/O 操作，配以事件循環(huán)，以此完成異步 I/O 的過程；Linux 下通過 epoll 實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程；FreeBSD下通過 kqueue 實(shí)現(xiàn)，Solaris 下通過 Event ports 實(shí)現(xiàn)。線程池在 Windows 下由內(nèi)核（IOCP）直接提供，*nix 系列則由 libuv 自行實(shí)現(xiàn)。

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，保證上層的 Node 與下層的自定義線程池及 IOCP 之間各自獨(dú)立。Node 在編譯期間會(huì)判斷平臺(tái)條件，選擇性編譯 unix 目錄或是 win 目錄下的源文件到目標(biāo)程序中：