小編給大家分享一下Nodejs中異步I/O的示例分析，相信大部分人都還不怎么了解，因此分享這篇文章給大家參考一下，希望大家閱讀完這篇文章后大有收獲，下面讓我們一起去了解一下吧！

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“異步”這個(gè)名詞其實(shí)在Node之前就已經(jīng)誕生了。但是在絕大多數(shù)高級(jí)編程語(yǔ)言中，異步并不多見(jiàn)。在眾多高級(jí)語(yǔ)言或運(yùn)行平臺(tái)中，將異步作為主要編程方式和設(shè)計(jì)理念的，Node是首個(gè)。【相關(guān)推薦：《nodejs 教程》】

異步I/O、事件驅(qū)動(dòng)和單線(xiàn)程構(gòu)成了Node的基調(diào)，而Nginx與Node的事件驅(qū)動(dòng)、異步I/O設(shè)計(jì)理念比較相近。Nginx采用純C編寫(xiě)，性能表現(xiàn)非常優(yōu)異，具備面向客戶(hù)端管理連接的強(qiáng)大能力，但是它的背后依然受限于各種同步方式的編程語(yǔ)言。但Node是全方位的，既可以作為服務(wù)器端去處理客戶(hù)端帶來(lái)的大量并發(fā)請(qǐng)求，也能作為客戶(hù)端向網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)應(yīng)用進(jìn)行并發(fā)請(qǐng)求。

為什么要異步I/O

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為什么異步I/O在Node中如此重要，這是因?yàn)镹ode面向網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，在跨網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)下，并發(fā)已經(jīng)是現(xiàn)代編程中的標(biāo)準(zhǔn)配備了。

用戶(hù)體驗(yàn)

《高性能JavaScript》中提到過(guò)，如果腳本的執(zhí)行時(shí)間超過(guò)100毫秒，用戶(hù)就會(huì)感到頁(yè)面卡頓，以為頁(yè)面停止響應(yīng)。而在B/S模型中，網(wǎng)絡(luò)速度的限制給網(wǎng)頁(yè)的實(shí)時(shí)體驗(yàn)造成很大的麻煩。

如果網(wǎng)頁(yè)臨時(shí)需要獲取一個(gè)資源，通過(guò)同步的方式獲取，那么JavaScript則需要等待資源完全從服務(wù)器端獲取后才能繼續(xù)執(zhí)行，這期間UI停頓，不響應(yīng)用戶(hù)的交互行為。這樣用戶(hù)體驗(yàn)將會(huì)極差。而采用異步請(qǐng)求，在下載資源期間，JavaScript和UI的執(zhí)行都不會(huì)處于等待狀態(tài)，可以繼續(xù)響應(yīng)用戶(hù)的交互行為。

同理，前端通過(guò)異步可以消除掉UI阻塞現(xiàn)象，但是前端獲取資源的速度也取決于后端的響應(yīng)速度。假如一個(gè)資源來(lái)自于兩個(gè)不同位置的數(shù)據(jù)的返回，第一個(gè)資源消耗M毫秒，第二個(gè)資源消耗N毫秒。如果采用同步的方式，獲取兩個(gè)資源消耗的的時(shí)間為M+N毫秒。而采用異步的方式，第一個(gè)資源的獲取并不會(huì)阻塞第二個(gè)資源的獲取，消耗的時(shí)間為max(M,N)。

隨著網(wǎng)站或應(yīng)用不斷膨脹，M與N的值會(huì)線(xiàn)性增長(zhǎng)，那么異步的性能將比同步更加優(yōu)越。

資源分配

假設(shè)業(yè)務(wù)場(chǎng)景中有一組互不相關(guān)的任務(wù)需要完成，有以下兩種主流的方法：

• 單線(xiàn)程串行一次執(zhí)行

• 多線(xiàn)程并行完成

如果創(chuàng)建多線(xiàn)程的開(kāi)銷(xiāo)小于并行執(zhí)行，那么多線(xiàn)程是首選的，但是多線(xiàn)程在創(chuàng)建線(xiàn)程和執(zhí)行期線(xiàn)程上下文切換的開(kāi)銷(xiāo)較大，而且多線(xiàn)程編程經(jīng)常面臨鎖、狀態(tài)同步等問(wèn)題。

單線(xiàn)程順序執(zhí)行任務(wù)的缺點(diǎn)在于性能，任意一個(gè)略慢的任務(wù)都會(huì)導(dǎo)致后續(xù)執(zhí)行代碼被阻塞。在計(jì)算機(jī)資源中，通常I/O與CPU計(jì)算之間是可以并行執(zhí)行的，但是同步的編程模型導(dǎo)致I/O的進(jìn)行會(huì)讓后續(xù)任務(wù)等待，造成資源不能被更好的利用。

Node利用單線(xiàn)程，遠(yuǎn)離多線(xiàn)程死鎖、狀態(tài)同步等問(wèn)題；利用異步I/O，讓單線(xiàn)程遠(yuǎn)離阻塞，更好的利用CPU。

異步I/O實(shí)現(xiàn)

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異步I/O在Node中應(yīng)用最為廣泛，但是它并不是Node的原創(chuàng)。

異步I/O與非阻塞I/O

對(duì)于計(jì)算機(jī)內(nèi)核I/O而言，異步/同步和阻塞/非阻塞是兩碼事。

操作系統(tǒng)對(duì)于I/O只有兩種方式：阻塞和非阻塞。在調(diào)用阻塞I/O時(shí)，應(yīng)用程序需要等待I/O完成才返回結(jié)果。

阻塞I/O的一個(gè)特點(diǎn)是調(diào)用之后一定要等到系統(tǒng)內(nèi)核層面完成所有操作之后，調(diào)用才結(jié)束。阻塞I/O造成CPU等待I/O，浪費(fèi)等待時(shí)間，CPU的處理能力不能得到充分利用。

為了提高性能，內(nèi)核提供了非阻塞I/O。非阻塞I/O跟阻塞I/O的差別為調(diào)用之后會(huì)立即返回，非阻塞I/O返回之后，CPU的時(shí)間片可以用來(lái)處理其他事物，此時(shí)提升性能是明顯的，但是由于完成的I/O并沒(méi)有完成，立即返回的并不是業(yè)務(wù)層期望的數(shù)據(jù)，而僅僅是當(dāng)前的調(diào)用狀態(tài)。

為了獲取完整的數(shù)據(jù)，應(yīng)用程序需要重復(fù)調(diào)用I/O操作來(lái)確認(rèn)是否完成。這種重復(fù)調(diào)用判斷操作是否完成的技術(shù)叫做輪詢(xún)。

現(xiàn)存的輪詢(xún)技術(shù)主要有read、select、poll、epoll和kqueue。這里只講一下epoll的輪詢(xún)?cè)怼?/p>

epoll是Linux下效率最高的I/O事件通知機(jī)制，在進(jìn)入輪詢(xún)的時(shí)候，如果沒(méi)有檢查到I/O事件，將會(huì)進(jìn)行休眠，直到事件發(fā)生將它喚醒。它是真實(shí)利用了事件的通知、執(zhí)行回調(diào)的方式，而不是遍歷查詢(xún)，所以不會(huì)浪費(fèi)CPU，執(zhí)行效率較高。

輪詢(xún)技術(shù)滿(mǎn)足了非阻塞I/O確保獲取完整數(shù)據(jù)的需求，但是對(duì)于程序而言，它仍然算是一種同步，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)間等待。等待期間，CPU要么用于遍歷文件描述符，要么用于休眠等待時(shí)間發(fā)生。

現(xiàn)實(shí)的異步I/O

通過(guò)讓部分線(xiàn)程進(jìn)行阻塞I/O或者非阻塞I/O加輪詢(xún)技術(shù)來(lái)完成數(shù)據(jù)獲取，讓一個(gè)線(xiàn)程進(jìn)行計(jì)算處理，通過(guò)線(xiàn)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（雖然這是模擬的）

但是最初，Node在*nix 平臺(tái)下采用了libeio配合libev實(shí)現(xiàn)I/O部分，實(shí)現(xiàn)了異步I/O。在Node v0.9.3中，自行實(shí)現(xiàn)了線(xiàn)程池來(lái)完成異步I/O。

而Windows下的IOCP在某種程度上提供了黎翔的異步I/O：調(diào)用異步方法，等待I/O完成之后的通知，執(zhí)行回調(diào)，用戶(hù)無(wú)需考慮輪詢(xún)。但是它的內(nèi)部其實(shí)依然是線(xiàn)程池原理，不同之處在于這些線(xiàn)程池有系統(tǒng)內(nèi)核接手管理。

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(lái)完成，并保證上層的Node與下層的自定義線(xiàn)程池及IOCP之間個(gè)字獨(dú)立。

我們時(shí)常提到Node是單線(xiàn)程的，這里的單線(xiàn)程僅僅只是JavaScript執(zhí)行在單線(xiàn)程中。在Node中，無(wú)論是*nix還是Windows平臺(tái)，內(nèi)部完成I/O任務(wù)的另有線(xiàn)程池。

Node的異步I/O

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完成整個(gè)異步I/O環(huán)節(jié)的有事件循環(huán)、觀(guān)察者和請(qǐng)求對(duì)象等。

事件循環(huán)

事件循環(huán)是Node自身的執(zhí)行模型，正式它使得回調(diào)函數(shù)十分普遍。

在進(jìn)程啟動(dòng)時(shí)，Node便會(huì)創(chuàng)建一個(gè)類(lèi)似于while(true)的循環(huán)，每執(zhí)行一次循環(huán)體的過(guò)程我們稱(chēng)為T(mén)ick。每個(gè)Tick的過(guò)程就是查看是否有事件待處理，如果有就取出事件及其相關(guān)的回調(diào)函數(shù)。如果存在關(guān)聯(lián)的回調(diào)函數(shù)，就執(zhí)行他們。然后進(jìn)入下個(gè)循環(huán)，如果不再有事件處理，就退出進(jìn)程。

觀(guān)察者

每個(gè)事件循環(huán)中有一個(gè)或者多個(gè)觀(guān)察者，而判斷是否有事件要處理的過(guò)程就是向這些觀(guān)察者詢(xún)問(wèn)是否有要處理的事件。

在Node中，事件主要來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求、文件I/O等，這些時(shí)間對(duì)應(yīng)的觀(guān)察者有文件I/O觀(guān)察者、網(wǎng)絡(luò)I/O觀(guān)察者等。觀(guān)察者將事件進(jìn)行了分類(lèi)。

事件循環(huán)是一個(gè)典型的生產(chǎn)者/消費(fèi)者模型。異步I/O、網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求等則是事件的生產(chǎn)者，不斷為Node提供不同類(lèi)型的事件，這些事件被傳遞到對(duì)應(yīng)的觀(guān)察者那里，事件循環(huán)則從觀(guān)察者那里取出事件并處理。

請(qǐng)求對(duì)象

對(duì)于Node的異步I/O調(diào)用而言，回調(diào)函數(shù)不由開(kāi)發(fā)者來(lái)調(diào)用。從JavaScript發(fā)起調(diào)用到內(nèi)核執(zhí)行完I/O操作的過(guò)渡過(guò)程中，存在一種產(chǎn)物，叫做請(qǐng)求對(duì)象

下面用fs.open()方法作為一個(gè)小小的例子。

fs.open = function(path,flags,mode,callback){
    //...
    binding.open(pathModule._makeLong(path),
                    stringToFlags(flags),
                    mode,
                    callback);
}

fs.open()的作用是根據(jù)指定路徑和參數(shù)去打開(kāi)一個(gè)文件，從而得到一個(gè)文件描述符，這是后續(xù)所有I/O操作的初試操作。JavaScript層面的代碼通過(guò)調(diào)用C++核心模塊進(jìn)行下層的操作。

從事JavaScript調(diào)用Node的核心模塊，核心模塊調(diào)用C++模塊，內(nèi)建模塊通過(guò)libuv進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用，這里是Node里經(jīng)典的調(diào)用方式。這里libuv作為封裝層，有兩個(gè)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)，實(shí)質(zhì)上是調(diào)用了uv_fs_open()方法。在uv_fs_open()的調(diào)用過(guò)程中，將從JavaScript層傳入的參數(shù)和當(dāng)前方法都封裝在一個(gè)請(qǐng)求對(duì)象中，回調(diào)函數(shù)則被設(shè)置在這個(gè)對(duì)象的屬性上。對(duì)象包裝完畢后，將對(duì)象推入線(xiàn)程池等待執(zhí)行。

至此，JavaScript調(diào)用立即返回，由JavaScript層面發(fā)起的異步調(diào)用的第一階段就此結(jié)束。JavaScript線(xiàn)程可以繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)的后續(xù)操作。

請(qǐng)求對(duì)象是異步I/O過(guò)程中的重要中間產(chǎn)物，所有的狀態(tài)都保存在這個(gè)對(duì)象中，包括送入線(xiàn)程池等待執(zhí)行以及I/O操作完畢后的回調(diào)處理。

執(zhí)行回調(diào)

組裝好請(qǐng)求對(duì)象、送入I/O線(xiàn)程池等待執(zhí)行，只是完成一部I/O的第一部分，回調(diào)通知是第二部分。

線(xiàn)程池中的I/O操作調(diào)用完畢之后，會(huì)將獲取的結(jié)果存儲(chǔ)在req->result屬性上，然后調(diào)用PostQueueCompletionStatus()通知IOCP，告知當(dāng)前對(duì)象操作已經(jīng)完成。

至此，整個(gè)異步I/O的流程完全結(jié)束。

事件循環(huán)、觀(guān)察者、請(qǐng)求對(duì)象、I/O線(xiàn)程池這四者共同構(gòu)成了Node異步I/O模型的基本要素。

以上是“Nodejs中異步I/O的示例分析”這篇文章的所有內(nèi)容，感謝各位的閱讀！相信大家都有了一定的了解，希望分享的內(nèi)容對(duì)大家有所幫助，如果還想學(xué)習(xí)更多知識(shí)，歡迎關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)行業(yè)資訊頻道！

當(dāng)前名稱(chēng)：Nodejs中異步I/O的示例分析
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