Nodejs探秘之深入理解单线程实现高并发原理

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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 JavaScript runtime built on Chrome's V8 JavaScript 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Javascript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？

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 Javascript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 Javascript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 Javascript VM，也是 Node.js 为什么使用的是 Javascript的关键，它为 Javascript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：

var fs = 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

async function open(path, flags, mode) {  mode = modeNum(mode, 0o666);  path = getPathFromURL(path);
  validatePath(path);
  validateUint32(mode, 'mode');
  return new FileHandle(
    await binding.openFileHandle(pathModule.toNamespacedPath(path),
             stringToFlags(flags),             mode, kUsePromises));
}

src/node_file.cc

static void Open(const FunctionCallbackInfo& args) {  Environment* env = Environment::GetCurrent(args);  const int argc = 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);    int result = 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 Javascript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：

var http = require('http');function sleep(time) {    var _exit = Date.now() + time * 1000;    while( Date.now() < _exit ) {}    return ;
}var server = 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。

JavaScript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。

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,                               int argc,                               const char* const* argv,                               int exec_argc,                               const char* const* exec_argv) {
  Isolate* isolate = context->GetIsolate();  HandleScope handle_scope(isolate);
  Context::Scope context_scope(context);  auto env = new Environment(isolate_data, context,
                             v8_platform.GetTracingAgent());
  env->Start(argc, argv, exec_argc, exec_argv, v8_is_profiling);  return env;
}

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

{
    SealHandleScope seal(isolate);
    bool more;
    env.performance_state()->Mark(
        node::performance::NODE_PERFORMANCE_MILESTONE_LOOP_START);
    do {
      uv_run(env.event_loop(), UV_RUN_DEFAULT);

      v8_platform.DrainVMTasks(isolate);

      more = uv_loop_alive(env.event_loop());      if (more)
        continue;

      RunBeforeExit(&env);      // Emit `beforeExit` if the loop became alive either after emitting
      // event, or after running some callbacks.
      more = uv_loop_alive(env.event_loop());
    } while (more == true);
    env.performance_state()->Mark(
        node::performance::NODE_PERFORMANCE_MILESTONE_LOOP_EXIT);
  }

  env.set_trace_sync_io(false);

  const int exit_code = EmitExit(&env);
  RunAtExit(&env);

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

int uv_run(uv_loop_t* loop, uv_run_mode mode) {  int timeout;  int r;  int ran_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;  return r;
}

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__io_poll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

int uv_backend_timeout(const uv_loop_t* loop) {  if (loop->stop_flag != 0)    return 0;  if (!uv__has_active_handles(loop) && !uv__has_active_reqs(loop))    return 0;  if (!QUEUE_EMPTY(&loop->idle_handles))    return 0;  if (!QUEUE_EMPTY(&loop->pending_queue))    return 0;  if (loop->closing_handles)    return 0;  return uv__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。

int uv__next_timeout(const uv_loop_t* loop) {  const struct heap_node* heap_node;  const uv_timer_t* handle;
  uint64_t diff;

  heap_node = heap_min((const struct 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 time)    return 0;//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;  return diff;
}

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，大家只可以看官方文档