异步式 I/O 与事件式编程

javascript NODE

来自《Node.js开发指南》

1. 异步式 I/O 与事件式编程

Node.js 最大的特点就是异步式 I/O（或者非阻塞 I/O）与事件紧密结合的编程模式。这
种模式与传统的同步式 I/O 线性的编程思路有很大的不同，因为控制流很大程度上要靠事件
和回调函数来组织，一个逻辑要拆分为若干个单元。

1.1 阻塞与线程

什么是阻塞（block）呢？线程在执行中如果遇到磁盘读写或网络通信（统称为 I/O 操作），
通常要耗费较长的时间，这时操作系统会剥夺这个线程的 CPU 控制权，使其暂停执行，同
时将资源让给其他的工作线程，这种线程调度方式称为 阻塞。当 I/O 操作完毕时，操作系统
将这个线程的阻塞状态解除，恢复其对CPU的控制权，令其继续执行。这种 I/O 模式就是通
常的同步式 I/O（Synchronous I/O）或阻塞式 I/O （Blocking I/O）。

相应地，异步式 I/O （Asynchronous I/O）或非阻塞式 I/O （Non-blocking I/O）则针对
所有 I/O 操作不采用阻塞的策略。当线程遇到 I/O 操作时，不会以阻塞的方式等待 I/O 操作
的完成或数据的返回，而只是将 I/O 请求发送给操作系统，继续执行下一条语句。当操作
系统完成 I/O 操作时，以事件的形式通知执行 I/O 操作的线程，线程会在特定时候处理这个
事件。为了处理异步 I/O，线程必须有事件循环，不断地检查有没有未处理的事件，依次予
以处理。

阻塞模式下，一个线程只能处理一项任务，要想提高吞吐量必须通过多线程。而非阻塞
模式下，一个线程永远在执行计算操作，这个线程所使用的 CPU 核心利用率永远是 100%，
I/O 以事件的方式通知。在阻塞模式下，多线程往往能提高系统吞吐量，因为一个线程阻塞
时还有其他线程在工作，多线程可以让 CPU 资源不被阻塞中的线程浪费。而在非阻塞模式
下，线程不会被 I/O 阻塞，永远在利用 CPU。多线程带来的好处仅仅是在多核 CPU 的情况
下利用更多的核，而Node.js的单线程也能带来同样的好处。这就是为什么 Node.js 使用了单
线程、非阻塞的事件编程模式。

图3-3 和图3-4 分别是多线程同步式 I/O 与单线程异步式 I/O 的示例。假设我们有一项工
作，可以分为两个计算部分和一个 I/O 部分，I/O 部分占的时间比计算多得多（通常都是这
样）。如果我们使用阻塞 I/O，那么要想获得高并发就必须开启多个线程。而使用异步式 I/O
时，单线程即可胜任。

单线程事件驱动的异步式 I/O 比传统的多线程阻塞式 I/O 究竟好在哪里呢？简而言之，
异步式 I/O 就是少了多线程的开销。对操作系统来说，创建一个线程的代价是十分昂贵的，
需要给它分配内存、列入调度，同时在线程切换的时候还要执行内存换页，CPU 的缓存被
清空，切换回来的时候还要重新从内存中读取信息，破坏了数据的局部性。①

当然，异步式编程的缺点在于不符合人们一般的程序设计思维，容易让控制流变得晦涩
难懂，给编码和调试都带来不小的困难。习惯传统编程模式的开发者在刚刚接触到大规模的异
步式应用时往往会无所适从，但慢慢习惯以后会好很多。尽管如此，异步式编程还是较为困难，
不过可喜的是现在已经有了不少专门解决异步式编程问题的库（如async）。

表3-1比较了同步式 I/O 和异步式 I/O 的特点。

1.2 回调函数

让我们看看在 Node.js 中如何用异步的方式读取一个文件，下面是一个例子：

//readfile.js
var fs = require('fs');
  fs.readFile('file.txt', 'utf-8', function(err, data) {
  if (err) {
    console.error(err);
  } else {
    console.log(data);
  }
});
console.log('end.');

运行的结果如下：

end.
Contents of the file.

Node.js 也提供了同步读取文件的 API：

//readfilesync.js
var fs = require('fs');
var data = fs.readFileSync('file.txt', 'utf-8');
console.log(data);
console.log('end.');

运行的结果与前面不同，如下所示：

$ node readfilesync.js
Contents of the file.
end.

同步式读取文件的方式比较容易理解，将文件名作为参数传入 fs.readFileSync 函
数，阻塞等待读取完成后，将文件的内容作为函数的返回值赋给 data 变量，接下来控制台
输出 data 的值，最后输出 end.。

异步式读取文件就稍微有些违反直觉了，end.先被输出。要想理解结果，我们必须先
知道在 Node.js 中，异步式 I/O 是通过回调函数来实现的。fs.readFile 接收了三个参数，
第一个是文件名，第二个是编码方式，第三个是一个函数，我们称这个函数为回调函数。
JavaScript 支持匿名的函数定义方式， 譬如我们例子中回调函数的定义就是嵌套在
fs.readFile 的参数表中的。这种定义方式在 JavaScript 程序中极为普遍，与下面这种定义
方式实现的功能是一致的：

//readfilecallback.js
function readFileCallBack(err, data) {
  if (err) {
    console.error(err);
  } else {
    console.log(data);
  }
}
var fs = require('fs');
fs.readFile('file.txt', 'utf-8', readFileCallBack);
console.log('end.');

fs.readFile 调用时所做的工作只是将异步式 I/O 请求发送给了操作系统，然后立即
返回并执行后面的语句，执行完以后进入事件循环监听事件。当 fs 接收到 I/O 请求完成的
事件时，事件循环会主动调用回调函数以完成后续工作。因此我们会先看到 end.，再看到
file.txt 文件的内容。

1.3 事件

Node.js 所有的异步 I/O 操作在完成时都会发送一个事件到事件队列。在开发者看来，事
件由 EventEmitter 对象提供。前面提到的 fs.readFile 和 http.createServer 的回
调函数都是通过 EventEmitter 来实现的。下面我们用一个简单的例子说明 EventEmitter
的用法：

//event.js
var EventEmitter = require('events').EventEmitter;
var event = new EventEmitter();
event.on('some_event', function() {
  console.log('some_event occured.');
});
setTimeout(function() {
  event.emit('some_event');
}, 1000);

运行这段代码，1秒后控制台输出了 some_event occured.。其原理是 event 对象
注册了事件 some_event 的一个监听器，然后我们通过 setTimeout 在1000毫秒以后向
event 对象发送事件 some_event，此时会调用 some_event 的监听器。

Node.js 的事件循环机制
Node.js 在什么时候会进入事件循环呢？答案是 Node.js 程序由事件循环开始，到事件循
环结束，所有的逻辑都是事件的回调函数，所以 Node.js 始终在事件循环中，程序入口就是
事件循环第一个事件的回调函数。事件的回调函数在执行的过程中，可能会发出 I/O 请求或
直接发射（emit）事件，执行完毕后再返回事件循环，事件循环会检查事件队列中有没有未
处理的事件，直到程序结束。图3-5说明了事件循环的原理。

与其他语言不同的是，Node.js 没有显式的事件循环，类似 Ruby 的 EventMachine::run()
的函数在 Node.js 中是不存在的。Node.js 的事件循环对开发者不可见，由 libev 库实现。libev
支持多种类型的事件，如 ev_io、ev_timer、ev_signal、ev_idle 等，在 Node.js 中均被
EventEmitter 封装。libev 事件循环的每一次迭代，在 Node.js 中就是一次 Tick，libev 不
断检查是否有活动的、可供检测的事件监听器，直到检测不到时才退出事件循环，进程结束。