Node.js 的異步編程：深入理解事件循環(huán)

異步編程在任何編程語(yǔ)言中都極具挑戰(zhàn)性。并發(fā)、并行和死鎖等概念讓即使是最資深的工程師也感到棘手。異步執(zhí)行的代碼難以預(yù)測(cè)，出現(xiàn)bug時(shí)也難以追蹤。然而，這個(gè)問(wèn)題是不可避免的，因?yàn)楝F(xiàn)代計(jì)算擁有多核處理器。每個(gè)CPU內(nèi)核都有其熱限制，單核性能提升已達(dá)到瓶頸。這促使開(kāi)發(fā)者編寫高效的代碼，充分利用硬件資源。

JavaScript 是單線程的，但這是否限制了 Node.js 利用現(xiàn)代架構(gòu)的能力呢？最大的挑戰(zhàn)之一是處理多線程的固有復(fù)雜性。創(chuàng)建新線程和管理線程間的上下文切換代價(jià)高昂。操作系統(tǒng)和程序員都需要付出大量努力才能提供一個(gè)處理眾多邊緣情況的解決方案。本文將闡述 Node.js 如何通過(guò)事件循環(huán)來(lái)解決這個(gè)難題，深入探討 Node.js 事件循環(huán)的各個(gè)方面并演示其工作原理。事件循環(huán)是 Node.js 的殺手級(jí)特性之一，因?yàn)樗砸环N全新的方式解決了這個(gè)棘手的問(wèn)題。

關(guān)鍵要點(diǎn)

• Node.js 事件循環(huán)是一個(gè)單線程、非阻塞和異步并發(fā)的循環(huán)，允許高效處理多個(gè)任務(wù)，而無(wú)需等待每個(gè)任務(wù)完成。這使得同時(shí)處理多個(gè) Web 請(qǐng)求成為可能。
• 事件循環(huán)是半無(wú)限的，這意味著如果調(diào)用?；蚧卣{(diào)隊(duì)列為空，它可以退出。該循環(huán)負(fù)責(zé)輪詢操作系統(tǒng)以獲取來(lái)自傳入連接的回調(diào)。
• 事件循環(huán)在多個(gè)階段運(yùn)行：時(shí)間戳更新、循環(huán)活躍性檢查、定時(shí)器執(zhí)行、待處理回調(diào)執(zhí)行、空閑處理程序執(zhí)行、準(zhǔn)備 setImmediate 回調(diào)執(zhí)行的句柄、計(jì)算輪詢超時(shí)、阻塞 I/O、檢查句柄回調(diào)執(zhí)行、關(guān)閉回調(diào)執(zhí)行以及迭代結(jié)束。
• Node.js 利用兩個(gè)主要部分：V8 JavaScript 引擎和 libuv。網(wǎng)絡(luò) I/O、文件 I/O 和 DNS 查詢通過(guò) libuv 進(jìn)行。線程池中可用于這些任務(wù)的線程數(shù)量有限，可以通過(guò) UV_THREADPOOL_SIZE 環(huán)境變量進(jìn)行設(shè)置。
• 在每個(gè)階段結(jié)束時(shí)，循環(huán)執(zhí)行 process.nextTick() 回調(diào)，它不是事件循環(huán)的一部分，因?yàn)樗诿總€(gè)階段結(jié)束時(shí)運(yùn)行。setImmediate() 回調(diào)是整個(gè)事件循環(huán)的一部分，因此它并不像名稱暗示的那樣立即執(zhí)行。一般建議使用 setImmediate()。

什么是事件循環(huán)？

事件循環(huán)是一個(gè)單線程、非阻塞和異步并發(fā)的循環(huán)。對(duì)于沒(méi)有計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)位的人來(lái)說(shuō)，想象一下一個(gè)執(zhí)行數(shù)據(jù)庫(kù)查找的 Web 請(qǐng)求。單線程一次只能執(zhí)行一項(xiàng)操作。它不會(huì)等待數(shù)據(jù)庫(kù)響應(yīng)，而是繼續(xù)處理隊(duì)列中的其他任務(wù)。在事件循環(huán)中，主循環(huán)展開(kāi)調(diào)用棧，并且不等待回調(diào)。由于循環(huán)不會(huì)阻塞，因此它可以同時(shí)處理多個(gè) Web 請(qǐng)求。多個(gè)請(qǐng)求可以同時(shí)排隊(duì)，使其具有并發(fā)性。循環(huán)不會(huì)等待一個(gè)請(qǐng)求的所有操作都完成，而是根據(jù)回調(diào)的出現(xiàn)順序進(jìn)行處理，而不會(huì)阻塞。

循環(huán)本身是半無(wú)限的，這意味著如果調(diào)用?；蚧卣{(diào)隊(duì)列為空，它可以退出循環(huán)?？梢詫⒄{(diào)用棧視為同步代碼，例如 console.log，在循環(huán)輪詢更多工作之前展開(kāi)。Node.js 使用底層的 libuv 來(lái)輪詢操作系統(tǒng)以獲取來(lái)自傳入連接的回調(diào)。

您可能想知道，為什么事件循環(huán)在單線程中執(zhí)行？對(duì)于每個(gè)連接所需的數(shù)據(jù)而言，線程在內(nèi)存中相對(duì)較重。線程是操作系統(tǒng)資源，需要啟動(dòng)，這無(wú)法擴(kuò)展到數(shù)千個(gè)活動(dòng)連接。

通常情況下，多線程也會(huì)使情況復(fù)雜化。如果回調(diào)返回?cái)?shù)據(jù)，它必須將上下文編組回正在執(zhí)行的線程。線程間的上下文切換速度很慢，因?yàn)樗仨毻疆?dāng)前狀態(tài)，例如調(diào)用?；蚓植孔兞?。事件循環(huán)在多個(gè)線程共享資源時(shí)可以避免bug，因?yàn)樗鼏尉€程。單線程循環(huán)減少了線程安全邊緣情況，并且可以更快地進(jìn)行上下文切換。這就是循環(huán)背后的真正天才之處。它在保持可擴(kuò)展性的同時(shí)有效地利用了連接和線程。

理論足夠了；現(xiàn)在來(lái)看看代碼是什么樣的。您可以隨意在 REPL 中進(jìn)行操作或下載源代碼。

半無(wú)限循環(huán)

事件循環(huán)必須回答的最大問(wèn)題是循環(huán)是否處于活動(dòng)狀態(tài)。如果是，則確定在回調(diào)隊(duì)列上等待多長(zhǎng)時(shí)間。在每次迭代中，循環(huán)展開(kāi)調(diào)用棧，然后進(jìn)行輪詢。

這是一個(gè)阻塞主循環(huán)的示例：

setTimeout(
  () => console.log('Hi from the callback queue'),
  5000); // 保持循環(huán)活動(dòng)這么長(zhǎng)時(shí)間

const stopTime = Date.now() + 2000;
while (Date.now() < stopTime) {}

如果您運(yùn)行此代碼，請(qǐng)注意循環(huán)被阻塞了兩秒鐘。但是，循環(huán)會(huì)保持活動(dòng)狀態(tài)，直到回調(diào)在五秒鐘后執(zhí)行。一旦主循環(huán)解除阻塞，輪詢機(jī)制就會(huì)確定它在回調(diào)上等待多長(zhǎng)時(shí)間。當(dāng)調(diào)用棧展開(kāi)并且沒(méi)有剩余回調(diào)時(shí)，此循環(huán)結(jié)束。

回調(diào)隊(duì)列

現(xiàn)在，當(dāng)我阻塞主循環(huán)然后調(diào)度回調(diào)時(shí)會(huì)發(fā)生什么？一旦循環(huán)被阻塞，它就不會(huì)將更多回調(diào)添加到隊(duì)列中：

const stopTime = Date.now() + 2000;
while (Date.now() < stopTime) {}
// 這需要 7 秒才能執(zhí)行
setTimeout(() => console.log('Ran callback A'), 5000);

這次循環(huán)保持活動(dòng)狀態(tài)七秒鐘。事件循環(huán)在其簡(jiǎn)單性方面是愚蠢的。它無(wú)法知道將來(lái)可能會(huì)排隊(duì)什么。在實(shí)際系統(tǒng)中，傳入的回調(diào)會(huì)排隊(duì)并在主循環(huán)可以進(jìn)行輪詢時(shí)執(zhí)行。事件循環(huán)在解除阻塞時(shí)會(huì)順序地經(jīng)歷幾個(gè)階段。因此，為了在關(guān)于循環(huán)的面試中脫穎而出，請(qǐng)避免使用“事件發(fā)射器”或“反應(yīng)器模式”等花哨的術(shù)語(yǔ)。它是一個(gè)簡(jiǎn)單的單線程循環(huán)，并發(fā)且非阻塞。

使用 async/await 的事件循環(huán)

為了避免阻塞主循環(huán)，一個(gè)想法是用 async/await 包裝同步 I/O：

const fs = require('fs');
const readFileSync = async (path) => await fs.readFileSync(path);

readFileSync('readme.md').then((data) => console.log(data));
console.log('The event loop continues without blocking...');

await 之后出現(xiàn)的任何內(nèi)容都來(lái)自回調(diào)隊(duì)列。代碼看起來(lái)像同步阻塞代碼，但它不會(huì)阻塞。請(qǐng)注意，async/await 使 readFileSync 成為可 then 的，這將其從主循環(huán)中移除。可以將 await 之后出現(xiàn)的任何內(nèi)容視為通過(guò)回調(diào)進(jìn)行的非阻塞操作。

完全披露：以上代碼僅用于演示目的。在實(shí)際代碼中，我建議使用 fs.readFile，它會(huì)觸發(fā)一個(gè)可以圍繞 Promise 包裝的回調(diào)。總體意圖仍然有效，因?yàn)檫@將阻塞 I/O 從主循環(huán)中移除。

更進(jìn)一步

如果我告訴你事件循環(huán)不僅僅是調(diào)用棧和回調(diào)隊(duì)列呢？如果事件循環(huán)不僅僅是一個(gè)循環(huán)，而是多個(gè)循環(huán)呢？如果它可以在底層擁有多個(gè)線程呢？

現(xiàn)在，我想帶你深入 Node.js 內(nèi)部。

事件循環(huán)階段

這些是事件循環(huán)階段：

圖片源：libuv 文檔

1. 更新時(shí)間戳。事件循環(huán)在循環(huán)開(kāi)始時(shí)緩存當(dāng)前時(shí)間，以避免頻繁進(jìn)行與時(shí)間相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用。這些系統(tǒng)調(diào)用是 libuv 的內(nèi)部調(diào)用。
2. 循環(huán)是否處于活動(dòng)狀態(tài)？如果循環(huán)具有活動(dòng)句柄、活動(dòng)請(qǐng)求或正在關(guān)閉的句柄，則它處于活動(dòng)狀態(tài)。如所示，隊(duì)列中的待處理回調(diào)使循環(huán)保持活動(dòng)狀態(tài)。
3. 執(zhí)行到期的定時(shí)器。這是 setTimeout 或 setInterval 回調(diào)運(yùn)行的地方。循環(huán)檢查緩存的now 以使到期的活動(dòng)回調(diào)執(zhí)行。
4. 執(zhí)行隊(duì)列中的待處理回調(diào)。如果之前的迭代延遲了任何回調(diào)，則這些回調(diào)會(huì)在此時(shí)運(yùn)行。輪詢通常會(huì)立即運(yùn)行 I/O 回調(diào)，但也有例外。此步驟處理來(lái)自上一次迭代的任何滯后回調(diào)。
5. 執(zhí)行空閑處理程序——主要是因?yàn)槊划?dāng)，因?yàn)檫@些處理程序在每次迭代中都會(huì)運(yùn)行，并且是 libuv 的內(nèi)部處理程序。
6. 準(zhǔn)備在循環(huán)迭代中執(zhí)行 setImmediate 回調(diào)的句柄。這些句柄在循環(huán)阻塞 I/O 之前運(yùn)行，并為這種回調(diào)類型準(zhǔn)備隊(duì)列。
7. 計(jì)算輪詢超時(shí)。循環(huán)必須知道它阻塞 I/O 的時(shí)間。這就是它如何計(jì)算超時(shí)的：
   • 如果循環(huán)即將退出，則超時(shí)為 0。
   • 如果沒(méi)有活動(dòng)句柄或請(qǐng)求，則超時(shí)為 0。
   • 如果有任何空閑句柄，則超時(shí)為 0。
   • 如果隊(duì)列中有任何待處理的句柄，則超時(shí)為 0。
   • 如果有任何正在關(guān)閉的句柄，則超時(shí)為 0。
   • 如果以上都不是，則超時(shí)設(shè)置為最接近的定時(shí)器，如果沒(méi)有任何活動(dòng)定時(shí)器，則為無(wú)限。
8. 循環(huán)使用上一個(gè)階段的持續(xù)時(shí)間阻塞 I/O。隊(duì)列中的與 I/O 相關(guān)的回調(diào)在此處執(zhí)行。
9. 執(zhí)行檢查句柄回調(diào)。此階段是 setImmediate 運(yùn)行的階段，它是準(zhǔn)備句柄的對(duì)應(yīng)階段。在 I/O 回調(diào)執(zhí)行過(guò)程中排隊(duì)的任何 setImmediate 回調(diào)都會(huì)在此處運(yùn)行。
10. 執(zhí)行關(guān)閉回調(diào)。這些是從已關(guān)閉連接中釋放的活動(dòng)句柄。
11. 迭代結(jié)束。

您可能想知道為什么輪詢?cè)趹?yīng)該是非阻塞的情況下會(huì)阻塞 I/O？只有當(dāng)隊(duì)列中沒(méi)有待處理的回調(diào)并且調(diào)用棧為空時(shí)，循環(huán)才會(huì)阻塞。在 Node.js 中，最接近的定時(shí)器可以通過(guò) setTimeout 設(shè)置，例如。如果設(shè)置為無(wú)限大，則循環(huán)將等待傳入連接以進(jìn)行更多工作。這是一個(gè)半無(wú)限循環(huán)，因?yàn)楫?dāng)沒(méi)有剩余工作并且存在活動(dòng)連接時(shí)，輪詢會(huì)使循環(huán)保持活動(dòng)狀態(tài)。

以下是此超時(shí)計(jì)算的 Unix 版本，以其全部 C 代碼形式：

setTimeout(
  () => console.log('Hi from the callback queue'),
  5000); // 保持循環(huán)活動(dòng)這么長(zhǎng)時(shí)間

const stopTime = Date.now() + 2000;
while (Date.now() < stopTime) {}

您可能不太熟悉 C 語(yǔ)言，但這讀起來(lái)像英語(yǔ)，并且完全按照第七階段所述執(zhí)行。

逐階段演示

為了用純 JavaScript 顯示每個(gè)階段：

const stopTime = Date.now() + 2000;
while (Date.now() < stopTime) {}
// 這需要 7 秒才能執(zhí)行
setTimeout(() => console.log('Ran callback A'), 5000);

因?yàn)槲募?I/O 回調(diào)在階段四和階段九之前運(yùn)行，所以預(yù)計(jì) setImmediate() 會(huì)先觸發(fā)：

const fs = require('fs');
const readFileSync = async (path) => await fs.readFileSync(path);

readFileSync('readme.md').then((data) => console.log(data));
console.log('The event loop continues without blocking...');

沒(méi)有 DNS 查詢的網(wǎng)絡(luò) I/O 比文件 I/O 成本更低，因?yàn)樗谥魇录h(huán)中執(zhí)行。文件 I/O 通過(guò)線程池排隊(duì)。DNS 查詢也使用線程池，因此這使得網(wǎng)絡(luò) I/O 與文件 I/O 一樣昂貴。

線程池

Node.js 內(nèi)部有兩個(gè)主要部分：V8 JavaScript 引擎和 libuv。文件 I/O、DNS 查詢和網(wǎng)絡(luò) I/O 通過(guò) libuv 進(jìn)行。

這是整體架構(gòu)：

圖片源：libuv 文檔

對(duì)于網(wǎng)絡(luò) I/O，事件循環(huán)在主線程內(nèi)進(jìn)行輪詢。此線程不是線程安全的，因?yàn)樗粫?huì)與另一個(gè)線程進(jìn)行上下文切換。文件 I/O 和 DNS 查詢是特定于平臺(tái)的，因此方法是在線程池中運(yùn)行它們。一個(gè)想法是自己進(jìn)行 DNS 查詢以避免進(jìn)入線程池，如上面的代碼所示。例如，輸入 IP 地址而不是 localhost 會(huì)將查找從池中移除。線程池中可用的線程數(shù)量有限，可以通過(guò) UV_THREADPOOL_SIZE 環(huán)境變量進(jìn)行設(shè)置。默認(rèn)線程池大小約為四個(gè)。

V8 在單獨(dú)的循環(huán)中執(zhí)行，清空調(diào)用棧，然后將控制權(quán)返回給事件循環(huán)。V8 可以使用多個(gè)線程進(jìn)行其自身循環(huán)之外的垃圾回收。可以將 V8 視為一個(gè)引擎，它接收原始 JavaScript 并將其在硬件上運(yùn)行。

對(duì)于普通程序員來(lái)說(shuō)，JavaScript 保持單線程，因?yàn)闆](méi)有線程安全問(wèn)題。V8 和 libuv 內(nèi)部會(huì)啟動(dòng)它們自己?jiǎn)为?dú)的線程以滿足它們自己的需求。

如果 Node.js 中存在吞吐量問(wèn)題，請(qǐng)從主事件循環(huán)開(kāi)始。檢查應(yīng)用程序完成單個(gè)迭代需要多長(zhǎng)時(shí)間。它不應(yīng)超過(guò)一百毫秒。然后，檢查線程池饑餓以及可以從池中驅(qū)逐的內(nèi)容。也可以通過(guò)環(huán)境變量增加池的大小。最后一步是在同步執(zhí)行的 V8 中對(duì) JavaScript 代碼進(jìn)行微基準(zhǔn)測(cè)試。

總結(jié)

事件循環(huán)繼續(xù)迭代每個(gè)階段，因?yàn)榛卣{(diào)被排隊(duì)。但是，在每個(gè)階段內(nèi)，都有方法可以排隊(duì)另一種類型的回調(diào)。

process.nextTick() 與 setImmediate()

在每個(gè)階段結(jié)束時(shí)，循環(huán)執(zhí)行 process.nextTick() 回調(diào)。請(qǐng)注意，此回調(diào)類型不是事件循環(huán)的一部分，因?yàn)樗诿總€(gè)階段結(jié)束時(shí)運(yùn)行。setImmediate() 回調(diào)是整個(gè)事件循環(huán)的一部分，因此它并不像名稱暗示的那樣立即執(zhí)行。由于 process.nextTick() 需要了解事件循環(huán)的內(nèi)部機(jī)制，因此我通常建議使用 setImmediate()。

您可能需要 process.nextTick() 的幾個(gè)原因：

1. 允許網(wǎng)絡(luò) I/O 在循環(huán)繼續(xù)之前處理錯(cuò)誤、清理或重試請(qǐng)求。
2. 可能需要在調(diào)用棧展開(kāi)后但在循環(huán)繼續(xù)之前運(yùn)行回調(diào)。

例如，事件發(fā)射器希望在其自身構(gòu)造函數(shù)中觸發(fā)事件。調(diào)用棧必須先展開(kāi)才能調(diào)用事件。

setTimeout(
  () => console.log('Hi from the callback queue'),
  5000); // 保持循環(huán)活動(dòng)這么長(zhǎng)時(shí)間

const stopTime = Date.now() + 2000;
while (Date.now() < stopTime) {}

允許調(diào)用棧展開(kāi)可以防止諸如 RangeError: Maximum call stack size exceeded 之類的錯(cuò)誤。一個(gè)需要注意的是確保 process.nextTick() 不會(huì)阻塞事件循環(huán)。在同一階段內(nèi)遞歸回調(diào)調(diào)用可能會(huì)導(dǎo)致阻塞問(wèn)題。

結(jié)論

事件循環(huán)在其終極復(fù)雜性中體現(xiàn)了簡(jiǎn)單性。它解決了一個(gè)難題，例如異步性、線程安全性和并發(fā)性。它刪除了無(wú)用或不需要的部分，并以最有效的方式最大限度地提高了吞吐量。因此，Node.js 程序員可以減少追逐異步錯(cuò)誤的時(shí)間，而將更多時(shí)間用于交付新功能。

關(guān)于 Node.js 事件循環(huán)的常見(jiàn)問(wèn)題

什么是 Node.js 事件循環(huán)？Node.js 事件循環(huán)是允許 Node.js 執(zhí)行非阻塞異步操作的核心機(jī)制。它負(fù)責(zé)在單線程事件驅(qū)動(dòng)環(huán)境中處理 I/O 操作、定時(shí)器和回調(diào)。

Node 事件循環(huán)是如何工作的？事件循環(huán)不斷檢查事件隊(duì)列中是否有待處理的事件或回調(diào)，并按添加順序執(zhí)行它們。它在一個(gè)循環(huán)中運(yùn)行，根據(jù)事件的可用性處理事件，這使得 Node.js 中的異步編程成為可能。

事件循環(huán)在 Node.js 應(yīng)用程序中的作用是什么？事件循環(huán)是 Node.js 的核心，它確保應(yīng)用程序保持響應(yīng)能力，并且可以處理許多同時(shí)連接，而無(wú)需多線程。

Node.js 事件循環(huán)的階段有哪些？Node.js 中的事件循環(huán)有幾個(gè)階段，包括定時(shí)器、待處理回調(diào)、空閑、輪詢、檢查和關(guān)閉。這些階段決定了事件的處理方式和順序。

事件循環(huán)處理的最常見(jiàn)事件類型有哪些？常見(jiàn)的事件包括 I/O 操作（例如，從文件讀取或發(fā)出網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求）、定時(shí)器（例如，setTimeout 和 setInterval）和回調(diào)函數(shù)（例如，來(lái)自異步操作的回調(diào)）。

Node 如何在事件循環(huán)中處理長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的操作？長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的 CPU 密集型操作可能會(huì)阻塞事件循環(huán)，應(yīng)使用 child_process 或 worker_threads 模塊等模塊將其卸載到子進(jìn)程或工作線程中。

調(diào)用棧和事件循環(huán)有什么區(qū)別？調(diào)用棧是一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于跟蹤當(dāng)前執(zhí)行上下文中的函數(shù)調(diào)用，而事件循環(huán)負(fù)責(zé)管理異步和非阻塞操作。它們協(xié)同工作，因?yàn)槭录h(huán)調(diào)度回調(diào)和 I/O 操作的執(zhí)行，然后將它們推送到調(diào)用棧中。

事件循環(huán)中的“tick”是什么？“tick”指的是事件循環(huán)的單個(gè)迭代。在每次 tick 中，事件循環(huán)都會(huì)檢查是否有待處理的事件，并執(zhí)行任何準(zhǔn)備運(yùn)行的回調(diào)。Ticks 是 Node.js 應(yīng)用程序中的基本工作單元。

以上是Node.js事件循環(huán)：開(kāi)發(fā)人員的概念和代碼指南的詳細(xì)內(nèi)容。更多信息請(qǐng)關(guān)注PHP中文網(wǎng)其他相關(guān)文章！