《深入浅出nodejs》读书笔记 第3章 异步I/O

ameimeng

第三章 异步I/O
 
伴随着异步I/O的还有事件驱动和单线程，它们构成Node的基调。
 
3.1 为什么要异步I/O
 
3.1.1 用户体验
采用异步请求，在下载资源期间，JavaScript和UI的执行都不会处于等待状态，可以继续相应用户的交互行为，给用户一个鲜活的页面。
 
3.1.2 资源分配
Node利用单线程，远离多线程死锁、状态同步等问题；利用异步I/O，让单线程远离阻塞，以更好地利用CPU。
为了弥补单线程无法利用多核CPU的缺点，Node提供了类似前端浏览器总Web Woekers的子进程，该子进程可以通过工作进程高效地利用CPU和I/O。
异步I/O的提出是期望I/O的调用不再阻塞后续运算，将原有等待I/O完成的这段时间分配费其余需要的业务中去执行。

 
3.2 异步I/O实现现状
 
3.2.1 异步I/O与非阻塞I/O
从实际效果而言，异步和非阻塞都达到了我们并行I/O的目的。但是从计算机内核I/O而言，异步/同步和阻塞/非阻塞实际上是两回事。
操作系统内核对于I/O只有两种方式：阻塞与非阻塞。
阻塞I/O的一个特点是调用之后一定要等到系统内核层面完成所有操作后，调用才结束。阻塞I/O造成CPU等待I/O，浪费等待时间，CPU的处理能力不能得到充分利用。

 
　　非阻塞I/O，调用之后会立即返回。

但非阻塞I/O也存在一些问题。由于完整的I/O并没有完成，立即返回的并不是业务层期望的数据，而仅仅是当前调用的状态。为了获取完整的数据，应用程序需要重复调用I/O操作来确认是否完成。
　　这种重复调用判断操作是否完成的技术叫做轮询。
　　现存的轮询技术主要有一下这些：
　　read
　　select
　　poll
　　epoll：Linux下最高效的I/O事件通知机制。在进入轮询的时候如果没有检查到I/O事件，将会进行休眠，直到事件发生将它唤醒。
　　kqueue
　　3.2.2 理想的非阻塞异步I/O
　　我们期望的完美的异步I/O应该是应用程序发起非阻塞调用，无须通过便利或者事件唤醒等待方式轮询，可以直接处理下一个任务，只需要在I/O完成后通过信号或回调将数据传递给应用程序即可。

 幸运的是，在Linux下存在这样的方式。但不幸的是，只有Linux下有，而且它还有缺陷（无法利用系统缓存）。
　　3.2.2 现实的异步I/O

 Linux的自定义线程池、Windows平台下的IOCP。

另一个需要强调的地方在于我们时常提到Node是单线程的，这里的单线程仅仅只是JavaScript执行在单线程中罢了。在Node中，无论是*nix还是Windows平台，内部完成I/O任务的另有线程池。
　　3.3 Node的异步I/O
　　3.3.1 事件循环
　　事件循环是Node自身的执行模型。

 
　　3.3.2 观察者
　　在每个Tick的过程中，如何判断否有时间需要处理呢？引入观察者，类似观察这模式思想。
　　在Node中，事件主要来源于网络请求、文件I/O等，这些事件对应的观察者有文件I/O观察者、网络I/O观察者等。
　　3.3.3 请求对象
　　对于Node中的异步I/O调用而言，回调函数却不由开发者来调用。
　　事实上，从JavaScript发起调用到内核执行完I/O操作的过渡过程中，存在一种中间产物，它叫做请求对象。
　　Node机制是，把回调函数赋值到请求对象的属性上，再把请求对象放到当前线程池中。当线程池中有可用线程时，就会执行回调方法。
　　至此，JavaScript调用立即返回，有JavaScript层面发起的异步调用的第一阶段就此结束。JavaScript线程可以继续执行当前任务的后续操作。当前的I/O操作在线程池中等待执行。不管他是否阻塞I/O，都不会影响到JavaScript线程的后续执行，如此就达到了异步的目的。
　　请求对象是异步I/O过程中的重要中间产物，所有的状态都保存在这个对象中，包括送入线程池等待执行以I/O操作完毕后的回调处理。
　　3.3.4 执行回调
　　组装好请求对象，送入I/O想城池等待执行，实际上完成了异步I/O的第一部分，回调通知是第二部分。
　　当线程池中的I/O操作调用完毕后，会将获取的结果储存在req对象的result属性上，然后调用方法通知IOCP，告知当前对象操作已经完成。
　　在这个过程中，其实还动用了实现循环的I/O观察者。在每次Tick的执行中，他会调用IOCP相关方法检查线程池中是否有执行完的请求，若果存在，会将请求对象加入到I/O观察者的对了中，等待处理。
　　I/O观察者调用函数的行为就是取出请求对象的result属性作为参数，取出complete_sys属性作为方法，然后调用执行。以此达到调用JavaScript中传入的回调函数的目的。

 事件循环、观察者、请求对象、I/O线程池这四者共同构成了Node异步I/O模型的基本要素。
　　Windows下主要通过IOCP来向系统内核发送I/O请求和从内核获取已完成的I/O操作，配以事件循环，以此完成异步I/O的过程。
　　3.3.5 小结
　　记住，在Node中，除了JavaScript是单线程外，Node自身其实是多线程的，只是I/O线程使用的CPU较少。另一个需要重视的观点则是，除了用户代码无法执行外，所有I/O（磁盘I/O和网络I/O）则是可以并行起来的。
　　3.4 非I/O的异步API
　　尽管我们在介绍Node的时候，多数情况下都会提到异步I/O，但是Node中其实还存在一些与I/O无关的异步API，它们分别是setTimeout()、setInterval()、setImmediate()和process.nextTick()。 
　　3.4.1 定时器
　　调用setTimeout()或者setInterval()创建的定时器会被插入到定时器观察者内部的一个红黑树中。每次Tick执行时，回从该红黑树中迭代取出定时器对象，检查是否超过定时实际，如果超过，就形成一个事件，它的回调函数将立即执行。
　　定时器的问题在于，它并非精确的（在容忍范围内）。
　　3.4.2 process.nextTick()
　　process.nextTick()比setTimeout()方法效率更高。
　　3.4.3 setImmediate()
　　setImmediate()方法与process.nextTick()方法十分类似，都是将回调函数延迟执行。

process.nextTick(function(){
console.log("nextTick延迟执行");
});
setImmediate(function(){
console.log("setImmediate延迟执行");
});
console.log("正常执行");
 　　执行结果：
　　正常执行
　　nextTick延迟执行
　　setImmediate延迟执行
　　从结果里可以看到，process.nextTick()中的回调函数执行的优先级要高于setImmediate()。这里的原因在于事件循环对观察者的检查是又先后顺序的，process.next()属于idle观察者，setTimediate()属于check观察者。在每一轮循环检查中，idle观察者先于I/O观察者，I/O观察者先于check观察者。
　　在具体实现上，process.nextTick()的回调函数保存在一个数组中，setImmediate()的结果则是保存在链表中。在行为上，process.nextTick()在每轮循环中回将数组中回调函数全部执行完，而setImmediate()在每轮循环中执行链表中的一个回调函数。
　　3.5 事件驱动与高性能服务器
　　事件驱动的实质：通过主循环加事件触发的方式来运行程序。

下面为几种经典的服务器模型，这里对比下它们的优缺点：
　　同步试。对于同步试的服务，一次只能处理一个请求，并且其余请求都处于等待状态。
　　每进程/每请求。为每个请求启动一个进程，这样可以处理多个请求，但是他不具备扩展性，因为系统资源只有那么多。
　　每线程/每请求。为每个请求启动一个线程来处理。尽管线程比进程要轻量，但是由于每个线程都占用一定内存，当大并发请求到来时，内存将会很快用光，导致服务器缓慢。每线程/每请求的扩展性比每进程/每请求的方式要好，但对于大型站点而言依然不够。
　　Node通过实践驱动的方式处理请求，无须为每一个请求创建额外的线程，可以省掉创建线程和销毁线程的开销，同事操作系统在调度任务时因为线程较少，上线文切换的代价很低。这是Node高性能的一个原因。
　　3.6 总结
　　事件循环是异步实现的核心，它与浏览器中的执行模型基本保持了一致。