说说 Nodejs 高并发的原理
导读
ALL THE TIME,我们写的的大部分javascript
代码都是在浏览器环境下编译运行的,因此可能我们对浏览器的事件循环机制了解比Node.JS
的事件循环更深入一些,但是最近写开始深入 NodeJS 学习的时候,发现 NodeJS 的事件循环机制和浏览器端有很大的区别,特此记录来深入的学习了下,以帮助自己及小伙伴们忘记后查阅及理解。
什么是事件循环
首先我们需要了解一下最基础的一些东西,比如这个事件循环,事件循环是指 Node.js 执行非阻塞 I/O 操作,尽管==JavaScript 是单线程的==,但由于大多数==内核都是多线程==的,Node.js
会尽可能将操作装载到系统内核。因此它们可以处理在后台执行的多个操作。当其中一个操作完成时,内核会告诉Node.js
,以便Node.js
可以将相应的回调添加到轮询队列中以最终执行。
当 Node.js 启动时会初始化event loop
, 每一个event loop
都会包含按如下顺序六个循环阶段:
timers
阶段: 这个阶段执行setTimeout(callback)
和setInterval(callback)
预定的 callback;I/O callbacks
阶段: 此阶段执行某些系统操作的回调,例如 TCP 错误的类型。 例如,如果 TCP 套接字在尝试连接时收到 ECONNREFUSED,则某些* nix 系统希望等待报告错误。 这将操作将等待在==I/O 回调阶段==执行;idle, prepare
阶段: 仅 node 内部使用;poll
阶段: 获取新的 I/O 事件, 例如操作读取文件等等,适当的条件下 node 将阻塞在这里;check
阶段: 执行setImmediate()
设定的 callbacks;close callbacks
阶段: 比如socket.on(‘close’, callback)
的 callback 会在这个阶段执行;
事件循环详解
这个图是整个 Node.js 的运行原理,从左到右,从上到下,Node.js 被分为了四层,分别是 应用层
、V8引擎层
、Node API层
和 LIBUV层
。
应用层: 即 JavaScript 交互层,常见的就是 Node.js 的模块,比如 http,fs
V8 引擎层: 即利用 V8 引擎来解析 JavaScript 语法,进而和下层 API 交互
NodeAPI 层: 为上层模块提供系统调用,一般是由 C 语言来实现,和操作系统进行交互 。
LIBUV 层: 是跨平台的底层封装,实现了 事件循环、文件操作等,是 Node.js 实现异步的核心 。
每个循环阶段内容详解
timers
阶段 一个 timer 指定一个下限时间而不是准确时间,在达到这个下限时间后执行回调。在指定时间过后,timers 会尽可能早地执行回调,但系统调度或者其它回调的执行可能会延迟它们。
注意:技术上来说,poll 阶段控制 timers 什么时候执行。
注意:这个下限时间有个范围:[1, 2147483647],如果设定的时间不在这个范围,将被设置为 1。
I/O callbacks
阶段 这个阶段执行一些系统操作的回调。比如 TCP 错误,如一个 TCP socket 在想要连接时收到 ECONNREFUSED,类 unix 系统会等待以报告错误,这就会放到 I/O callbacks 阶段的队列执行.名字会让人误解为执行 I/O 回调处理程序, 实际上 I/O 回调会由 poll 阶段处理.
poll
阶段 poll 阶段有两个主要功能:(1)执行下限时间已经达到的 timers 的回调,(2)然后处理 poll 队列里的事件。当 event loop 进入 poll 阶段,并且 没有设定的 timers(there are no timers scheduled),会发生下面两件事之一:
如果 poll 队列不空,event loop 会遍历队列并同步执行回调,直到队列清空或执行的回调数到达系统上限;
如果 poll 队列为空,则发生以下两件事之一:
如果代码已经被 setImmediate()设定了回调, event loop 将结束 poll 阶段进入 check 阶段来执行 check 队列(里面的回调 callback)。
如果代码没有被 setImmediate()设定回调,event loop 将阻塞在该阶段等待回调被加入 poll 队列,并立即执行。
但是,当 event loop 进入 poll 阶段,并且 有设定的 timers,一旦 poll 队列为空(poll 阶段空闲状态):event loop 将检查 timers,如果有 1 个或多个 timers 的下限时间已经到达,event loop 将绕回 timers 阶段,并执行 timer 队列。
check
阶段 这个阶段允许在 poll 阶段结束后立即执行回调。如果 poll 阶段空闲,并且有被 setImmediate()设定的回调,event loop 会转到 check 阶段而不是继续等待。
setImmediate() 实际上是一个特殊的 timer,跑在 event loop 中一个独立的阶段。它使用
libuv
的 API 来设定在 poll 阶段结束后立即执行回调。通常上来讲,随着代码执行,event loop 终将进入 poll 阶段,在这个阶段等待 incoming connection, request 等等。但是,只要有被 setImmediate()设定了回调,一旦 poll 阶段空闲,那么程序将结束 poll 阶段并进入 check 阶段,而不是继续等待 poll 事件们 (poll events)。
close callbacks
阶段 如果一个 socket 或 handle 被突然关掉(比如 socket.destroy()),close 事件将在这个阶段被触发,否则将通过 process.nextTick()触发
参考 nodejs 进阶视频讲解:进入学习
这里呢,我们通过伪代码来说明一下,这个流程:
走进案例解析
我们来看一个简单的EventLoop
的例子:
这里呢,为了让这个setTimeout
优先于fs.readFile
回调, 执行了process.nextTick
, 表示在进入timers
阶段前, 等待20ms
后执行文件读取.
1. nextTick
与 setImmediate
process.nextTick
不属于事件循环的任何一个阶段,它属于该阶段与下阶段之间的过渡, 即本阶段执行结束, 进入下一个阶段前, 所要执行的回调。有给人一种插队的感觉.setImmediate
的回调处于 check 阶段, 当 poll 阶段的队列为空, 且 check 阶段的事件队列存在的时候,切换到 check 阶段执行,
nextTick 递归的危害
由于 nextTick 具有插队的机制,nextTick 的递归会让事件循环机制无法进入下一个阶段. 导致 I/O 处理完成或者定时任务超时后仍然无法执行, 导致了其它事件处理程序处于饥饿状态. 为了防止递归产生的问题, Node.js 提供了一个 process.maxTickDepth (默认 1000)。
此时永远无法跳到timer
阶段去执行setTimeout里面的回调方法
, 因为在进入timers
阶段前有不断的nextTick
插入执行. 除非执行了 1000 次到了执行上限,所以上面这个案例会不断地打印出nextTick
字符串
2. setImmediate
如果在一个I/O周期
内进行调度,setImmediate() 将始终在任何定时器(setTimeout、setInterval)之前执行.
3. setTimeout
与 setImmediate
setImmediate()被设计在 poll 阶段结束后立即执行回调;
setTimeout()被设计在指定下限时间到达后执行回调;
无 I/O 处理情况下:
执行结果:
从结果,我们可以发现,这里打印输出出来的结果,并没有什么固定的先后顺序,偏向于随机,为什么会发生这样的情况呢?
答:首先进入的是timers
阶段,如果我们的机器性能一般,那么进入timers
阶段,1ms
已经过去了 ==(setTimeout(fn, 0)等价于 setTimeout(fn, 1))==,那么setTimeout
的回调会首先执行。
如果没有到1ms
,那么在timers
阶段的时候,下限时间没到,setTimeout
回调不执行,事件循环来到了poll
阶段,这个时候队列为空,于是往下继续,先执行了 setImmediate()的回调函数,之后在下一个事件循环再执行setTimemout
的回调函数。
问题总结:而我们在==执行启动代码==的时候,进入timers
的时间延迟其实是==随机的==,并不是确定的,所以会出现两个函数执行顺序随机的情况。
那我们再来看一段代码:
打印结果如下:
这里,为啥和上面的随机timer
不一致呢,我们来分析下原因:
原因如下:fs.readFile
的回调是在poll
阶段执行的,当其回调执行完毕之后,poll
队列为空,而setTimeout
入了timers
的队列,此时有代码 setImmediate()
,于是事件循环先进入check
阶段执行回调,之后在下一个事件循环再在timers
阶段中执行回调。
当然,下面的小案例同理:
以上的代码在timers
阶段执行外部的setTimeout
回调后,内层的setTimeout
和setImmediate
入队,之后事件循环继续往后面的阶段走,走到poll阶段
的时候发现队列为空
,此时有代码有setImmedate()
,所以直接进入check阶段
执行响应回调(==注意这里没有去检测timers队列中是否有成员
到达下限事件,因为setImmediate()优先
==)。之后在第二个事件循环的timers
阶段中再去执行相应的回调。
综上所演示,我们可以总结如下:
如果两者都在主模块中调用,那么执行先后取决于进程性能,也就是你的电脑好撇,当然也就是随机。
如果两者都不在主模块调用(被一个异步操作包裹),那么**
setImmediate的回调永远先执行
**。
4. nextTick
与 Promise
概念:对于这两个,我们可以把它们理解成一个微任务。也就是说,它其实不属于事件循环的一部分。那么他们是在什么时候执行呢?不管在什么地方调用,他们都会在其所处的事件循环最后,事件循环进入下一个循环的阶段前执行。
控制台打印如下:
最总结:timers
阶段执行外层setTimeout
的回调,遇到同步代码先执行,也就有timeout0
、sync
的输出。遇到process.nextTick
及Promise
后入微任务队列,依次nextTick1
、nextTick3
、nextTick2
、resolved
入队后出队输出。之后,在下一个事件循环的timers
阶段,执行setTimeout
回调输出timeout2
以及微任务Promise
里面的setTimeout
,输出timeout resolved
。(这里要说明的是 微任务nextTick
优先级要比Promise
要高)
5. 最后案例
代码片段 1:
解析:
事件循环check
阶段执行回调函数输出setImmediate
,之后输出nextTick
。嵌套的setImmediate
在下一个事件循环的check
阶段执行回调输出嵌套的setImmediate
。
代码片段 2:
打印结果为:
大家呢,可以先看着代码,默默地在心底走一变代码,然后对比输出的结果,当然最后三位,我个人认为是有点问题的,毕竟在主模块运行,大家的答案,最后三位可能会有偏差;
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