为什么nodejs是单进程的_Nodejs探秘：深入理解单线程实现高并发原理
原标题：Nodejs探秘：深入理解单线程实现高并发原理
前言
从Node.js进入我们的视野时，我们所知道的它就由这些关键字组成 事件驱动、非阻塞I/O、高效、轻量，它在官网中也是这么描述自己的:
Node.js® is a Java runtime built on Chrome’s V8 Java engine. Node.js uses an event-driven, non-blocking I/O model that makes it lightweight and efficient.
于是在我们刚接触Nodejs时，会有所疑问：
1、为什么在浏览器中运行的Java 能与操作系统进行如此底层的交互？
2、nodejs 真的是单线程吗？
3、如果是单线程，他是如何处理高并发请求的？
4、nodejs 事件驱动是如何实现的？
等等。。。
看到这些问题，是否有点头大，别急，带着这些问题我们来慢慢看这篇文章。
架构一览
上面的问题，都挺底层的，所以我们从 Node.js 本身入手，先来看看 Node.js 的结构:
Node.js 标准库，这部分是由 Java 编写的，即我们使用过程中直接能调用的 API。在源码中的 lib 目录下可以看到。
Node bindings，这一层是 Java 与底层 C/C++ 能够沟通的关键，前者通过 bindings 调用后者，相互交换数据。实现在 node.cc
这一层是支撑 Node.js 运行的关键，由 C/C++ 实现。
V8：Google 推出的 Java VM，也是 Node.js 为什么使用的是 Java 的关键，它为 Java 提供了在非浏览器端运行的环境，它的高效是 Node.js 之所以高效的原因之一。
Libuv：它为 Node.js 提供了跨平台，线程池，事件池，异步 I/O 等能力，是 Node.js 如此强大的关键。
C-ares：提供了异步处理 DNS 相关的能力。
http_parser、OpenSSL、zlib等：提供包括 http 解析、SSL、数据压缩等其他的能力。
与操作系统交互
举个简单的例子，我们想要打开一个文件，并进行一些操作，可以写下面这样一段代码：
varfs = require( 'fs');
fs.open( './test.txt', "w", function(err, fd){ //..do something});
这段代码的调用过程大致可描述为：lib/fs.js → src/node_file.cc → uv_fs
lib/fs.js
asyncfunctionopen(path, flags, mode){
mode = modeNum(mode, 0o666);
path = getPathFromURL(path);
validatePath(path);
validateUint32(mode, 'mode');
returnnewFileHandle(
awaitbinding.openFileHandle(pathModule.toNamespacedPath(path),
stringToFlags(flags),
mode, kUsePromises));
}
src/node_file.cc
staticvoidOpen(constFunctionCallbackInfo& args){
Environment* env = Environment::GetCurrent(args);
constintargc = args.Length();
if(req_wrap_async != nullptr) { // open(path, flags, mode, req)
AsyncCall(env, req_wrap_async, args, "open", UTF8, AfterInteger,
uv_fs_open, *path, flags, mode);
} else{ // open(path, flags, mode, undefined, ctx)
CHECK_EQ(argc, 5);
FSReqWrapSync req_wrap_sync;
FS_SYNC_TRACE_BEGIN(open);
intresult = SyncCall(env, args[ 4], &req_wrap_sync, "open",
uv_fs_open, *path, flags, mode);
FS_SYNC_TRACE_END(open);
args.GetReturnValue().Set(result);
}
}
uv_fs
/* Open the destination file. */
dstfd = uv_fs_open( NULL,
&fs_req,
req->new_path,
dst_flags,
statsbuf.st_mode,
NULL);
uv_fs_req_cleanup(&fs_req);
Node.js 深入浅出上的一幅图：
具体来说，当我们调用 fs.open 时，Node.js 通过 process.binding 调用 C/C++ 层面的 Open 函数，然后通过它调用 Libuv 中的具体方法 uv_fs_open，最后执行的结果通过回调的方式传回，完成流程。
我们在 Java 中调用的方法，最终都会通过 process.binding 传递到 C/C++ 层面，最终由他们来执行真正的操作。Node.js 即这样与操作系统进行互动。
单线程
在传统web 服务模型中，大多都使用多线程来解决并发的问题，因为I/O 是阻塞的，单线程就意味着用户要等待，显然这是不合理的，所以创建多个线程来响应用户的请求。
Node.js 对http 服务的模型：
Node.js的单线程指的是主线程是“单线程”，由主要线程去按照编码顺序一步步执行程序代码，假如遇到同步代码阻塞，主线程被占用，后续的程序代码执行就会被卡住。实践一个测试代码：
varhttp = require( 'http');
functionsleep(time){
var_exit = Date.now() + time * 1000;
while( Date.now() < _exit ) {}
return;
}
varserver = http.createServer( function(req, res){
sleep( 10);
res.end( 'server sleep 10s');
});
server.listen( 8080);
下面为代码块的堆栈图：
先将index.js的代码改成这样，然后打开浏览器，你会发现浏览器在10秒之后才做出反应，打出Hello Node.js。
Java是解析性语言，代码按照编码顺序一行一行被压进stack里面执行，执行完成后移除然后继续压下一行代码块进去执行。上面代码块的堆栈图，当主线程接受了request后，程序被压进同步执行的sleep执行块(我们假设这里就是程序的业务处理)，如果在这10s内有第二个request进来就会被压进stack里面等待10s执行完成后再进一步处理下一个请求，后面的请求都会被挂起等待前面的同步执行完成后再执行。
那么我们会疑问：为什么一个单线程的效率可以这么高，同时处理数万级的并发而不会造成阻塞呢？就是我们下面所说的--------事件驱动。
事件驱动/事件循环
Event Loop is a programming construct that waits for and dispatches events or messages in a program.
1、每个Node.js进程只有一个主线程在执行程序代码，形成一个执行栈(execution context stack)。
2、主线程之外，还维护了一个"事件队列"(Event queue)。当用户的网络请求或者其它的异步操作到来时，node都会把它放到Event Queue之中，此时并不会立即执行它，代码也不会被阻塞，继续往下走，直到主线程代码执行完毕。
3、主线程代码执行完毕完成后，然后通过Event Loop，也就是事件循环机制，开始到Event Queue的开头取出第一个事件，从线程池中分配一个线程去执行这个事件，接下来继续取出第二个事件，再从线程池中分配一个线程去执行，然后第三个，第四个。主线程不断的检查事件队列中是否有未执行的事件，直到事件队列中所有事件都执行完了，此后每当有新的事件加入到事件队列中，都会通知主线程按顺序取出交EventLoop处理。当有事件执行完毕后，会通知主线程，主线程执行回调，线程归还给线程池。
4、主线程不断重复上面的第三步。
总结：
我们所看到的node.js单线程只是一个js主线程，本质上的异步操作还是由线程池完成的，node将所有的阻塞操作都交给了内部的线程池去实现，本身只负责不断的往返调度，并没有进行真正的I/O操作，从而实现异步非阻塞I/O，这便是node单线程和事件驱动的精髓之处了。
Node.js 中的事件循环的实现：
Node.js采用V8作为js的解析引擎，而I/O处理方面使用了自己设计的libuv，libuv是一个基于事件驱动的跨平台抽象层，封装了不同操作系统一些底层特性，对外提供统一的API，事件循环机制也是它里面的实现。 在src/node.cc中：
Environment* CreateEnvironment(IsolateData* isolate_data,
Local context,
intargc,
constchar* const* argv,
intexec_argc,
constchar* const* exec_argv){
Isolate* isolate = context->GetIsolate();
HandleScope handle_scope(isolate);
Context:: Scope context_scope(context);
autoenv = newEnvironment(isolate_data, context,
v8_platform.GetTracingAgent());
env->Start(argc, argv, exec_argc, exec_argv, v8_is_profiling);
returnenv;
}
这段代码建立了一个node执行环境，可以看到第三行的uv_default_loop()，这是libuv库中的一个函数，它会初始化uv库本身以及其中的default_loop_struct，并返回一个指向它的指针default_loop_ptr。 之后，Node会载入执行环境并完成一些设置操作，然后启动event loop：
Environment* CreateEnvironment(IsolateData* isolate_data,
Local context,
intargc,
constchar* const* argv,
intexec_argc,
constchar* const* exec_argv){
Isolate* isolate = context->GetIsolate();
HandleScope handle_scope(isolate);
Context:: Scope context_scope(context);
autoenv = newEnvironment(isolate_data, context,
v8_platform.GetTracingAgent());
env->Start(argc, argv, exec_argc, exec_argv, v8_is_profiling);
returnenv;
}
more用来标识是否进行下一轮循环。 env->event_loop()会返回之前保存在env中的default_loop_ptr，uv_run函数将以指定的UV_RUN_DEFAULT模式启动libuv的event loop。如果当前没有I/O事件也没有定时器事件，则uv_loop_alive返回false。
Event Loop的执行顺序：
根据Node.js官方介绍，每次事件循环都包含了6个阶段，对应到 libuv 源码中的实现，如下图所示：
timers 阶段：这个阶段执行timer(setTimeout、setInterval)的回调
I/O callbacks 阶段：执行一些系统调用错误，比如网络通信的错误回调
idle, prepare 阶段：仅node内部使用
poll 阶段：获取新的I/O事件, 适当的条件下node将阻塞在这里
check 阶段：执行 setImmediate() 的回调
close callbacks 阶段：执行 socket 的 close 事件回调。
核心函数uv_run：源码 核心源码
intuv_run(uv_loop_t* loop, uv_run_mode mode){
inttimeout;
intr;
intran_pending;
//首先检查我们的loop还是否活着
//活着的意思代表loop中是否有异步任务
//如果没有直接就结束
r = uv__loop_alive(loop);
if(!r)
uv__update_time(loop);
//传说中的事件循环，你没看错了啊！就是一个大while
while(r != 0&& loop->stop_flag == 0) {
//更新事件阶段
uv__update_time(loop);
//处理timer回调
uv__run_timers(loop);
//处理异步任务回调
ran_pending = uv__run_pending(loop);
//没什么用的阶段
uv__run_idle(loop);
uv__run_prepare(loop);
//这里值得注意了
//从这里到后面的uv__io_poll都是非常的不好懂的
//先记住timeout是一个时间
//uv_backend_timeout计算完毕后，传递给uv__io_poll
//如果timeout = 0,则uv__io_poll会直接跳过
timeout = 0;
if((mode == UV_RUN_ONCE && !ran_pending) || mode == UV_RUN_DEFAULT)
timeout = uv_backend_timeout(loop);
uv__io_poll(loop, timeout);
//就是跑setImmediate
uv__run_check(loop);
//关闭文件描述符等操作
uv__run_closing_handles(loop);
if(mode == UV_RUN_ONCE) {
/* UV_RUN_ONCE implies forward progress: at least one callback must have
* been invoked when it returns. uv__io_poll() can return without doing
* I/O (meaning: no callbacks) when its timeout expires - which means we
* have pending timers that satisfy the forward progress constraint.
*
* UV_RUN_NOWAIT makes no guarantees about progress so it's omitted from
* the check.
*/
uv__update_time(loop);
uv__run_timers(loop);
}
r = uv__loop_alive(loop);
if(mode == UV_RUN_ONCE || mode == UV_RUN_NOWAIT)
break;
}
/* The if statement lets gcc compile it to a conditional store. Avoids
* dirtying a cache line.
*/
if(loop->stop_flag != 0)
loop->stop_flag = 0;
returnr;
}
代码中我已经写得很详细了，相信不熟悉c代码的各位也能轻易搞懂，没错，事件循环就是一个大while而已！神秘的面纱就此揭开。
uv_iopoll阶段 这个阶段设计得非常巧妙，这个函数第二个参数是一个timeout 参数，而这个timeOut 由来自uv_backend_timeout 函数，我们进去一探究竟！
源码: https://github.com/libuv/libuv/blob/v1.x/src/unix/core.c
intuv_backend_timeout(constuv_loop_t* loop){
if(loop->stop_flag != 0)
return0;
if(!uv__has_active_handles(loop) && !uv__has_active_reqs(loop))
return0;
if(!QUEUE_EMPTY(&loop->idle_handles))
return0;
if(!QUEUE_EMPTY(&loop->pending_queue))
return0;
if(loop->closing_handles)
return0;
returnuv__next_timeout(loop);
}
原来是一个多步if函数，我们一个一个分析
1. stop_flag:这个标记是 0的时候，意味着事件循环跑完这一轮就退出了，返回的时间是0
2. !uv__has_active_handles和!uv__has_active_reqs:看名字都知道，如果没有任何的异步任务(包括timer和异步I/O)，那timeOut时间一定就是0了
3. QUEUE_EMPTY(idle_handles)和QUEUE_EMPTY(pending_queue):异步任务是通过注册的方式放进了pending_queue中，无论是否成功，都已经被注册，如果什么都没有，这两个队列就是空，所以没必要等了。
4. closing_handles:我们的循环进入了关闭阶段，没必要等待了
以上所有条件判断来判断去，为的就是等这句话return uv__next_timeout(loop);这句话，告诉了uv__io_poll说：你到底停多久，接下来，我们继续看这个神奇的uv__next_timeout是怎么获取时间的。
intuv__next_timeout(constuv_loop_t* loop){
conststructheap_node* heap_node;
constuv_timer_t* handle;
uint64_tdiff;
heap_node = heap_min(( conststruct heap*) &loop->timer_heap);
if(heap_node == NULL)
return-1; /* block indefinitely */
handle = container_of(heap_node, uv_timer_t, heap_node);
if(handle->timeout <= loop->time)
return0;
//这句代码给出了关键性的指导
diff = handle->timeout - loop->time;
//不能大于最大的INT_MAX
if(diff > INT_MAX)
diff = INT_MAX;
returndiff;
}
等待结束以后，就会进入check 阶段.然后进入closing_handles阶段，至此一个事件循环结束。因为是源码解析，所以具体的我就不多说，大家只可以看文档：https://nodejs.org/en/docs/guides/event-loop-timers-and-nexttick/
总结：
1、Nodejs与操作系统交互，我们在 Java 中调用的方法，最终都会通过 process.binding 传递到 C/C++ 层面，最终由他们来执行真正的操作。Node.js 即这样与操作系统进行互动。
2、nodejs所谓的单线程，只是主线程是单线程，所有的网络请求或者异步任务都交给了内部的线程池去实现，本身只负责不断的往返调度，由事件循环不断驱动事件执行。
3、Nodejs之所以单线程可以处理高并发的原因，得益于libuv层的事件循环机制，和底层线程池实现。
4、Event loop就是主线程从主线程的事件队列里面不停循环的读取事件，驱动了所有的异步回调函数的执行，Event loop总共7个阶段，每个阶段都有一个任务队列，当所有阶段被顺序执行一次后，event loop 完成了一个 tick。
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