关于Node.js你必须要知道的原理性知识

前言

最近学习了Node.js，但是发现关于Node.js的原理性资料比较少。比如说Node.js的non-blocking I/O,event-driven,single-thread的具体机制是什么，single-thread 跟 none-blocking是不是矛盾，event-loop具体是什么等等这些问题，网络上能讲到这些并给正确解释的很少。但如果认真点找，还是能够总结出来的，于是就有了这篇文章。

none-blocking，event-driven,single-thread释义

• none-blocking即非阻塞，是指当Node.js处理I/O耗时操作时，是不会使后续的操作阻塞的。怎么理解呢？比如说下面的伪代码：

      doSomeOperations(); //做一些普通的非I/O操作。    doHttpRequest(url,callback);//网络请求，url是请求的网址，callback会在请求完在后调用。    doSomeOtherOperations();//做另一些普通的非I/O操作。

  其中的doHttpRequest(callback);在运行的时候，会去请求url，如果是阻塞式的话，doSomeOtherOperations();会在doHttpRequest(url,callback);请求到网页后才被运行，因为doHttpRequest(url,callback);阻塞了。而Node.js是none-block非阻塞式的，也即是说doSomeOtherOperations();不会等待doHttpRequest(url,callback);请求到网页后才被运行，而是直接就运行了。

• event-driven即事件驱动，是指Node.js程序采用一种event事件加callback回调函数来监听事件的方式，程序通过写监听事件比如说myEventEmitter.on("event",callback)，然后使用myEventEmitter.emit('event');来触发event，然后监听事件中的callback就会运行了。
• single-thread即单线程，Node.js采用单线程架构，所以写程序也变得更简单。

none-blocking VS single-thread

我们知道单线程跟非阻塞是矛盾的，既然单线程了，又怎么会非阻塞呢？因为在计算机技术中，处理阻塞以更大地利用计算机资源所采取的方式就是多进程和多线程，而现在Node.js这家伙既能做到单线程又能做到非阻塞，这难道不让人觉得奇怪吗？
在这里我们需要明确的是，我们在Node.js写的代码是运行在主线程上面的，而所谓的single-thread指的也是主线程的单线程。而实际上，Node.js底层是存在多线程的，Node.js底层采用了libuv库，libuv库具有线程池，Node.js的I/O操作会被交给libuv处理，libuv通过线程池给I/O操作开新线程。这也是Node.js可以做到none-blocking的机理。所以要记住的一点是，尽管Node.js是单线程的，但它底层还是大量地使用了多线程，多线程支撑了none-blocking的特性。

Event loop

我们知道Node.js的事件处理是在event loop里处理的，但event loop到底是什么，它的运行流程是怎么样的，相信如果要理解Node.js的运行过程，这些都是绕不开的问题，接下来我们来看一下什么是event loop。

• 首先我们来看一个图，还有一小段代码。
  

while(queue.waitForMessage()){  queue.processNextMessage();}

图中Queue是消息队列（message queue），而Stack是函数调用的栈(call stack)。每一个消息（message）可以理解成一个event,event的产生会在message queue里入队一个message,每个message都有对应的callback(监听该event的函数)。而上面的代码段就代表了event loop。

• 所以结合上面的图片和代码，event loop还是比较好理解的。总的运行流程如下：
  Node.js在event loop中，

  while(queue.waitForMessage()){  queue.processNextMessage();}

  不断地检测message queue中是否有未被处理的message,若检测到，则把该message对应的callback压入Stack中，然后执行Stack中的callback,每个callback在执行完毕时会出栈,当Stack为空时，Node.js又再次检测是否有未处理的message,如此循环。

process.nextTick(callback),setImmediate(callback),setTimeout(callback,second)的区别。

在讲到这三个函数的区别之前，我们先来弄清楚几个概念：tick,timer。

• tick
  我们在写Node.js程序时，会遇到一个函数叫process.nextTick(callback), 那么，什么是tick呢？我们可以把event loop的每一次循环理解成一个tick,当调用process.nextTick(callback)时，会在当前处于处理状态的message后面新增一个message,并与函数里的callback相对应。当前的message处理完毕后，这个新增的message就会被处理，callback也就被调用了。

• timer
timer是操作系统的定时器，当使用setTimeout(callback,second)时，后面的参数second指定了多久后调用callback,时间由timer处理，当指定的时间到时，由操作系统通知Node.js,然后新增一个相应的message并入队到message queue。由于这个通知的过程，相应的任务可能不会马上执行，所以second的定时是不精准的，只是一个大概值，实际时间会稍大于这个值。

知道了这些概念之后，我们来比较这三个函数的区别：

• 我们首先来看setImmediate(callback)的作用是什么。
  setImmediate(callback)并不需要用tick,timer来解释，它的行为就是在调用时，在message queue最末端入队一个新的message与callback相对应，当处理完它之前的所有message后，这个新message就会被处理了。

• 接下来我们来看setTimeout(callback,second)。
  setTimeout(callback,second)跟setImmediate(callback)不同的地方是，setTimeout(callback,second)在定时时间到才新增一个message在message queue的最末端，而setImmediate(callback)在被调用时就已经新增这样的一个message了。于是同时调用setImmediate(callback)和setTimeout(callback,0)时，前者的callback总要先运行后者的callback。

• 最后我们来看process.nextTick(callback)，我们知道每个event loop的循环是一个tick,nextTick就是指下一个循环就执行，于是就是在当前message的后面新增一个message。

因此，如果上面三个函数同时调用，执行先后顺序是process.nextTick(callback)，setImmediate(callback)，setTimeout(callback,second)。

关于异步

我们知道Node.js是异步的，那么，异步指的是什么呢？Node.js中的异步并不仅仅指异步I/O（多线程），前面所说到的process.nextTick(callback),setImmediate(callback),setTimeout(callback,second)也是异步机制的一部分，它们把代码的执行延后了。

参考资料：

1.https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Web/JavaScript/EventLoop
2.http://blog.carbonfive.com/2013/10/27/the-javascript-event-loop-explained/
3.https://en.wikipedia.org/wiki/Node.js
4.http://mcgill-csus.github.io/student_projects/Submission2.pdf