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。

本文来自腾讯内部 KM 社区。

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