你需要了解的有关 Node.js 的所有信息

发表于 3年以前 | 总阅读数：240 次

Node.js 是当前用来构建可扩展的、高效的 REST API's 的最流行的技术之一。它还可以用来构建混合移动应用、桌面应用甚至用于物联网领域。

我真的很喜欢它，我已经使用 Node.js 工作了 6 年。这篇文章试图成为了解 Node.js 工作原理的终极指南。

Node.js 之前的世界

多线程服务器

Web 应用程序是用一个 client/server（客户端/服务器）模式所编写的，其中 client 将向 server 请求资源并且 server 将会根据这个资源以响应。server 仅在 client 请求时做出响应，并在每次响应后关闭连接。

这种模式是有效的，因为对服务器的每一个请求都需要时间和资源（内存、CPU 等）。服务器必须完成上一个请求，才能接受下一个请求。

所以，服务器在一定的时间内只处理一个请求？这不完全是，当服务器收到一个新请求时，这个请求将会被一个线程处理。

简而言之，线程是 CPU 为执行一小段指令所花费的时间和资源。话虽如此，服务器一次要处理多个请求，每个线程一个（也可以称为 thread-per-request 模式）。

注：thread-per-request 意为每一个请求一个线程。

要同时处理 N 个请求，服务器就需要 N 个线程。如果现在有 N+1 个请求，它就必须等待，直到 N 个线程中的任何一个可用。

在多线程服务器示例中，服务器同时最多允许 4 个请求（线程）当接下来收到 3 个请求时，这些请求必须等待直到这 4 个线程中的任何一个可用。

解决此限制的一种方法是向服务器添加更多资源（内存，CPU内核等），但这可能根本不是一个好主意...

当然，会有技术限制。

阻塞 I/O

服务器中的线程数不仅仅是这里唯一的问题。也许你想知道为什么一个线程不能同时处理 2 个或更多的请求？这是因为阻塞了 Input/Output 操作。

假设你正在开发一个在线商店应用，并且它需要一个页面，用户可以在其中查看您的所有产品。

用户访问 http://yourstore.com/products 服务器将从数据库中获取你的全部产品来呈现一个 HTML 文件，这很简单吧？

但是，后面会发生什么？...

1. 当用户访问 /products 时，需要执行特定的方法或函数来满足请求，因此会有一小段代码来解析这个请求的 url 并定位到正确的方法或函数。线程正在工作。✔️
2. 该方法或函数以及第一行将被执行。线程正在工作。✔️
3. 因为你是一名优秀的开发者，你会保存所有的系统日志在一个文件中，要确保路由执行了正确的方法/函数，你的日志要增加一个字符串 “Method X executing!!”（某某方法正在执行），这是一个阻塞的 I/O 操作。线程正在等待。❌
4. 日志已被保存并且下一行将被执行。线程正在工作。✔️
5. 现在是时候去数据库并获取所有产品了，一个简单的查询，例如 SELECT * FROM products 操作，但是您猜怎么着？这是一个阻塞的 I/O 操作。线程正在等待。❌
6. 你会得到一个所有的产品列表，但要确保将它们记录下来。线程正在等待。❌
7. 使用这些产品，是时候渲染模版了，但是在渲染它之前，你应该先读取它。线程正在等待。❌
8. 模版引擎完成它的工作，并将响应发送到客户端。线程再次开始工作。✔️
9. 线程是自由的（空闲的），像鸟儿一样。️

I/O 操作有多慢？这得需要看情况。

让我们检查以下表格：

操作	CPU 时钟周期数
CPU 寄存器	3 ticks
L1 Cache（一级缓存）	8 ticks
L2 Cache（二级缓存）	12 ticks
RAM（随机存取存储器）	150 ticks
Disk（磁盘）	30,000,000 ticks
Network（网络）	250,000,000 ticks

译者备注：时钟周期也称（tick、clock cycle、clock period 等），指一个硬件在被使用过程中，被划分为多个时间周期，当我们需要比较不同硬件的性能时，就在不同硬件之上测试同一个软件，观察它们的时钟周期时间和周期数，如果时钟周期时间越长、周期数越多，就意味着这个硬件需要的性能较低。

磁盘和网络操作太慢了。您的系统进行了多少次查询或外部 API 调用？

在恢复过程中，I/O 操作使得线程等待且浪费资源。

C10K 问题

早在 2000 年代初期，服务器和客户端机器运行缓慢。这个问题是在一台服务器机器上同时运行 10,000 个客户端链接。

为什么我们传统的 “thread-per-request” 模式不能够解决这个问题？现在让我们做一些数学运算。

本地线程实现为每个线程分配大约 1 MB 的内存，所以 10K 线程就需要 10GB 的 RAM，请记住这仅仅是在 2000 年代初期！！

如今，服务器和客户端的计算能力比这更好，几乎任何编程语言和框架都解决了这个问题。实际，该问题已更新为在一台服务器上处理 10 million（1000 万）个客户端链接（也称 C10M 问题）。

JavaScript 进行救援？

剧透提醒 !!

Node.js 解决了这个 C10K 问题... 但是为什么？

JavaScript 服务端早在 2000 年代并不是什么新鲜事，它基于 “thread-per-request” 模式在 Java 虚拟机之上有一些实现，例如，RingoJS、AppEngineJS。

但是，如果那不能解决 C10K 问题，为什么 Node.js 可以？好吧，因为它是单线程的。

Node.js 和 Event Loop

Node.js

Node.js 是一个构建在 Google Chrome's JavaScript 引擎（V8 引擎）之上的服务端平台，可将 JavaScript 代码编译为机器代码。

Node.js 基于事件驱动、非阻塞 I/O 模型，从而使其轻巧和高效。它不是一个框架，也不是一个库，它是一个运行时。

一个简单的例子：

// Importing native http module
const http = require('http');

// Creating a server instance where every call
// the message 'Hello World' is responded to the client
const server = http.createServer(function(request, response) {
  response.write('Hello World');
  response.end();
});

// Listening port 8080
server.listen(8080);

非阻塞 I/O

Node.js 是非阻塞 I/O，这意味着：

主线程不会在 I/O 操作中阻塞。
服务器将会继续参加请求。
我们将使用异步代码。

让我们写一个例子，在每一次 /home 请求时，服务器将响应一个 HTML 页面，否则服务器响应一个 'Hello World' 文本。要响应 HTML 页面，首先要读取这个文件。

home.html

<html>
  <body>
    <h1>This is home page</h1>
  </body>
</html>

index.js

const http = require('http');
const fs = require('fs');

const server = http.createServer(function(request, response) {
  if (request.url === '/home') {
    fs.readFile(`${ __dirname }/home.html`, function (err, content) {
      if (!err) {
        response.setHeader('Content-Type', 'text/html');
        response.write(content);
      } else {
        response.statusCode = 500;
        response.write('An error has ocurred');
      }

      response.end();
    });
  } else {
    response.write('Hello World');
    response.end();
  }
});

server.listen(8080);

如果这个请求的 url 是 /home，我们使用 fs 本地模块读取这个 home.html 文件。

传递给 http.createServer 和 fs.readFile 的函数称为回调。这些功能将在将来的某个时间执行（第一个功能将在收到一个请求时执行，第二个功能将在文件读取并且缓冲之后执行）。

在读取文件时，Node.js 仍然可以处理请求，甚至再次读取文件，all at once in a single thread... but how?!

The Event Loop（事件循环）

事件循环是 Node.js 背后的魔力，简而言之，事件循环实际上是一个无限循环，并且是线程里唯一可用的。

Libuv 是一个实现此模式的 C 语言库，是 Node.js 核心模块的一部分。阅读关于 Libuv 的更多内容 here。

事件循环需要经历 6 个阶段，所有阶段的执行被称为 tick。

timers：这个阶段执行定时器 setTimeout() 和 setInterval() 的回调函数。
pending callbacks：几乎所有的回调在这里执行，除了 close 回调、定时器 timers 阶段的回调和 setImmediate()。
idle, prepare: 仅在内部应用。
poll：检索新的 I/O 事件；适当时 Node 将在此处阻塞。
check：setImmediate() 回调函数将在这里执行。
close callbacks: 一些准备关闭的回调函数，如：socket.on('close', ...)。

好的，所以只有一个线程并且该线程是一个 EventLoop，但是 I/O 操作由谁来执行呢？

注意 !!!

当 Event Loop 需要执行 I/O 操作时，它将从一个池（通过 Libuv 库）中使用系统线程，当这个作业完成时，回调将排队等待在 “pending callbacks” 阶段被执行。

那不是很完美吗？

CPU 密集型任务问题

Node.js 似乎很完美，你可以用它来构建任何你想要的东西。

让我们构建一个 API 来计算质数。

质数又称素数。一个大于 1 的自然数，除了 1 和它自身外，不能被其他自然数整除的数叫做质数；

给一个数 N，这个 API 必须计算并在一个数组中返回 N 个自然数。

primes.js

function isPrime(n) {
  for(let i = 2, s = Math.sqrt(n); i <= s; i++)
    if(n % i === 0) return false;
  return n > 1;
}

function nthPrime(n) {
  let counter = n;
  let iterator = 2;
  let result = [];

  while(counter > 0) {
    isPrime(iterator) && result.push(iterator) && counter--;
    iterator++;
  }

  return result;
}

module.exports = { isPrime, nthPrime };

index.js

const http = require('http');
const url = require('url');
const primes = require('./primes');

const server = http.createServer(function (request, response) {
  const { pathname, query } = url.parse(request.url, true);

  if (pathname === '/primes') {
    const result = primes.nthPrime(query.n || 0);
    response.setHeader('Content-Type', 'application/json');
    response.write(JSON.stringify(result));
    response.end();
  } else {
    response.statusCode = 404;
    response.write('Not Found');
    response.end();
  }
});

server.listen(8080);

primes.js 是质数功能实现，isPrime 检查给予的参数 N 是否为质数，如果是一个质数 nthPrime 将返回 n 个质数

index.js 创建一个服务并在每次请求 /primes 时使用这个库。通过 query 传递参数。

获取 20 前的质数，我们发起一个请求 http://localhost:8080/primes?n=2

假设有 3 个客户端访问这个惊人的非阻塞 API：

第一个每秒请求前 5 个质数。
第二个每秒请求前 1,000 个质数
第三个请求一次性输入前 10,000,000,000 个质数，但是...

当我们的第三个客户端发送请求时，客户端将会被阻塞，因为质数库会占用大量的 CPU。主线程忙于执行密集型的代码将无法做其它任何事情。

但是 Libuv 呢？如果你记得这个库使用系统线程帮助 Node.js 做一些 I/O 操作以避免主线程阻塞，那你是对的，这个可以帮助我们解决这个问题，但是使用 Libuv 库我们必须要使用 C++ 语言编写。

值得庆祝的是 Node.js v10.5 引入了工作线程。

工作线程

如文档所述：

工作线程对于执行 CPU 密集型的 JavaScript 操作非常有用。它们在 I/O 密集型的工作中用途不大。Node.js 的内置的异步 I/O 操作比工作线程效率更高。

修改代码

现在修复我们的初始化代码：

primes-workerthreads.js

const { workerData, parentPort } = require('worker_threads');

function isPrime(n) {
  for(let i = 2, s = Math.sqrt(n); i <= s; i++)
    if(n % i === 0) return false;
  return n > 1;
}

function nthPrime(n) {
  let counter = n;
  let iterator = 2;
  let result = [];

  while(counter > 0) {
    isPrime(iterator) && result.push(iterator) && counter--;
    iterator++;
  }

  return result;
}

parentPort.postMessage(nthPrime(workerData.n));

index-workerthreads.js

const http = require('http');
const url = require('url');
const { Worker } = require('worker_threads');

const server = http.createServer(function (request, response) {
  const { pathname, query } = url.parse(request.url, true);

  if (pathname === '/primes') {
    const worker = new Worker('./primes-workerthreads.js', { workerData: { n: query.n || 0 } });

    worker.on('error', function () {
      response.statusCode = 500;
      response.write('Oops there was an error...');
      response.end();
    });

    let result;
    worker.on('message', function (message) {
      result = message;
    });

    worker.on('exit', function () {
      response.setHeader('Content-Type', 'application/json');
      response.write(JSON.stringify(result));
      response.end();
    });
  } else {
    response.statusCode = 404;
    response.write('Not Found');
    response.end();
  }
});

server.listen(8080);

index-workerthreads.js 在每个请求中将创建一个 Worker 实例，在一个工作线程中加载并执行 primes-workerthreads.js 文件。当这个质数列表计算完成，这个 message 消息将会被触发，接收信息并赋值给 result。由于这个 job 已完成，将会再次触发 exit 事件，允许主线程发送数据给到客户端。

primes-workerthreads.js 变化小一点。它导入 workerData（从主线程传递参数），parentPort 这是我们向主线程发送消息的方式。

现在让我们再次做 3 个客户端例子，看看会发生什么：

主线程不再阻塞 !!!!!

它的工作方式与预期的一样，但是生成工作线程并不是最佳实践，创建新线程并不便宜。一定先创建一个线程池。