说说 Nodejs 高并发的原理

写在前面

我们先来看几个常见的说法

• nodejs 是单线程 + 非阻塞 I/O 模型

• nodejs 适合高并发

• nodejs 适合 I/O 密集型应用，不适合 CPU 密集型应用

在具体分析这几个说法是不是、为什么之前，我们先来做一些准备工作

从头聊起

一个常见 web 应用会做哪些事情

• 运算（执行业务逻辑、数学运算、函数调用等。主要工作在 CPU 进行）

• I/O（如读写文件、读写数据库、读写网络请求等。主要工作在各种 I/O 设备，如磁盘、网卡等）

一个典型的传统 web 应用实现

• 多进程，一个请求 fork 一个（子）进程 + 阻塞 I/O（即 blocking I/O 或 BIO）

• 多线程，一个请求创建一个线程 + 阻塞 I/O

多进程 web 应用示例伪代码

listenFd = new Socket(); // 创建监听socketBind(listenFd, 80); // 绑定端口Listen(listenFd);   // 开始监听
for ( ; ; ) {    // 接收客户端请求，通过新的socket建立连接    connFd = Accept(listenFd);    // fork子进程    if ((pid = Fork()) === 0) {        // 子进程中        // BIO读取网络请求数据，阻塞，发生进程调度        request = connFd.read();        // BIO读取本地文件，阻塞，发生进程调度        content = ReadFile('test.txt');        // 将文件内容写入响应        Response.write(content);    }}

多线程应用实际上和多进程类似，只不过将一个请求分配一个进程换成了一个请求分配一个线程。线程对比进程更轻量，在系统资源占用上更少，上下文切换（ps：所谓上下文切换，稍微解释一下：单核心 CPU 的情况下同一时间只能执行一个进程或线程中的任务，而为了宏观上的并行，则需要在多个进程或线程之间按时间片来回切换以保证各进、线程都有机会被执行）的开销也更小；同时线程间更容易共享内存，便于开发

上文中提到了 web 应用的两个核心要点，一个是进（线）程模型，一个是 I/O 模型。那阻塞 I/O 到底是什么？又有哪些其他的 I/O 模型呢？别着急，首先我们看一下什么是阻塞

什么是阻塞？什么是阻塞 I/O？

简而言之，阻塞是指函数调用返回之前，当前进（线）程会被挂起，进入等待状态，在这个状态下，当前进（线）程暂停运行，引起 CPU 的进（线）程调度。函数只有在内部工作全部执行完成后才会返回给调用者

所以阻塞 I/O 是，应用程序通过 API 调用 I/O 操作后，当前进（线）程将会进入等待状态，代码无法继续往下执行，这时 CPU 可以进行进（线）程调度，即切换到其他可执行的进（线）程继续执行，当前进（线）程在底层 I/O 请求处理完后才会返回并可以继续执行

多进（线）程 + 阻塞 I/O 模型有什么问题？

在了解了什么是阻塞和阻塞 I/O 后，我们来分析一下传统 web 应用多进（线）程 + 阻塞 I/O 模型有什么弊端。

因为一个请求需要分配一个进（线）程，这样的系统在并发量大时需要维护大量进（线）程，且需要进行大量的上下文切换，这都需要大量的 CPU、内存等系统资源支撑，所以在高并发请求进来时 CPU 和内存开销会急剧上升，可能会迅速拖垮整个系统导致服务不可用

nodejs 应用实现

接下来我们看看 nodejs 应用是如何实现的。

• 事件驱动，单线程（主线程）

• 非阻塞 I/O 在官网上可以看到，nodejs 最主要的两大特点，一个是单线程事件驱动，一个是“非阻塞”I/O 模型。单线程 + 事件驱动比较好理解，前端同学应该都很熟悉 js 的单线程和事件循环这套机制了，那我们主要来研究一下这个“非阻塞 I/O”是怎么一回事。首先来看一段 nodejs 服务端应用常见的代码，

const net = require('net');const server = net.createServer();const fs = require('fs');
server.listen(80);  // 监听端口// 监听事件建立连接server.on('connection', (socket) => {    // 监听事件读取请求数据    socket.on('data', (data) => {    // 异步读取本地文件    fs.readFile('test.txt', (err, data) => {            // 将读取的内容写入响应            socket.write(data);            socket.end();        })    });});

可以看到在 nodejs 中，我们可以以异步的方式去进行 I/O 操作，通过 API 调用 I/O 操作后会马上返回，紧接着就可以继续执行其他代码逻辑，那为什么 nodejs 中的 I/O 是“非阻塞”的呢？回答这个问题之前我们再做一些准备工作，

read 操作基本步骤

首先看下一个 read 操作需要经历哪些步骤

• 用户程序调用 I/O 操作 API，内部发出系统调用，进程从用户态转到内核态

• 系统发出 I/O 请求，等待数据准备好（如网络 I/O，等待数据从网络中到达 socket；等待系统从磁盘上读取数据等）

• 数据准备好后，复制到内核缓冲区

• 从内核空间复制到用户空间，用户程序拿到数据

接下来我们看一下操作系统中有哪些 I/O 模型

参考 nodejs 进阶视频讲解：进入学习

几种 I/O 模型

阻塞式 I/O

非阻塞式 I/O

I/O 多路复用（进程可同时监听多个 I/O 设备就绪）

信号驱动 I/O

异步 I/O

那么 nodejs 里到底使用了哪种 I/O 模型呢？是上图中的“非阻塞 I/O”吗？别着急，先接着往下看，我们来了解下 nodejs 的体系结构

nodejs 体系结构，线程、I/O 模型分析

最上面一层是就是我们编写 nodejs 应用代码时可以使用的 API 库，下面一层则是用来打通 nodejs 和它所依赖的底层库的一个中间层，比如实现让 js 代码可以调用底层的 c 代码库。来到最下面一层，可以看到前端同学熟悉的 V8，还有其他一些底层依赖。注意，这里有一个叫 libuv 的库，它是干什么的呢？从图中也能看出，libuv 帮助 nodejs 实现了底层的线程池、异步 I/O 等功能。libuv 实际上是一个跨平台的 c 语言库，它在 windows、linux 等不同平台下会调用不同的实现。我这里主要分析 linux 下 libuv 的实现，因为我们的应用大部分时候还是运行在 linux 环境下的，且平台间的差异性并不会影响我们对 nodejs 原理的分析和理解。好了，对于 nodejs 在 linux 下的 I/O 模型来说，libuv 实际上提供了两种不同场景下的不同实现，处理网络 I/O 主要由 epoll 函数实现（其实就是 I/O 多路复用，在前面的图中使用的是 select 函数来实现 I/O 多路复用，而 epoll 可以理解为 select 函数的升级版，这个暂时不做具体分析），而处理文件 I/O 则由多线程（线程池） + 阻塞 I/O 模拟异步 I/O 实现

下面是一段我写的 nodejs 底层实现的伪代码帮助大家理解

listenFd = new Socket();    // 创建监听socketBind(listenFd, 80); // 绑定端口Listen(listenFd);   // 开始监听
for ( ; ; ) {    // 阻塞在epoll函数上，等待网络数据准备好    // epoll可同时监听listenFd以及多个客户端连接上是否有数据准备就绪    // clients表示当前所有客户端连接，curFd表示epoll函数最终拿到的一个就绪的连接    curFd = Epoll(listenFd, clients);
    if (curFd === listenFd) {        // 监听套接字收到新的客户端连接，创建套接字        int connFd = Accept(listenFd);        // 将新建的连接添加到epoll监听的list        clients.push(connFd);    }
    else {        // 某个客户端连接数据就绪，读取请求数据        request = curFd.read();        // 这里拿到请求数据后可以发出data事件进入nodejs的事件循环        ...    }}
// 读取本地文件时，libuv用多线程（线程池） + BIO模拟异步I/OThreadPool.run((callback) => {    // 在线程里用BIO读取文件    String content = Read('text.txt');      // 发出事件调用nodejs提供的callback});

通过 I/O 多路复用 + 多线程模拟的异步 I/O 配合事件循环机制，nodejs 就实现了单线程处理并发请求并且不会阻塞。所以回到之前所说的“非阻塞 I/O”模型，实际上 nodejs 并没有直接使用通常定义上的非阻塞 I/O 模型，而是 I/O 多路复用模型 + 多线程 BIO。我认为“非阻塞 I/O”其实更多是对 nodejs 编程人员来说的一种描述，从编码方式和代码执行顺序上来讲，nodejs 的 I/O 调用的确是“非阻塞”的

总结

至此我们应该可以了解到，nodejs 的 I/O 模型其实主要是由 I/O 多路复用和多线程下的阻塞 I/O 两种方式一起组成的，而应对高并发请求时发挥作用的主要就是 I/O 多路复用。好了，那最后我们来总结一下 nodejs 线程模型和 I/O 模型对比传统 web 应用多进（线）程 + 阻塞 I/O 模型的优势和劣势

• nodejs 利用单线程模型省去了系统维护和切换多进（线）程的开销，同时多路复用的 I/O 模型可以让 nodejs 的单线程不会阻塞在某一个连接上。在高并发场景下，nodejs 应用只需要创建和管理多个客户端连接对应的 socket 描述符而不需要创建对应的进程或线程，系统开销上大大减少，所以能同时处理更多的客户端连接

• nodejs 并不能提升底层真正 I/O 操作的效率。如果底层 I/O 成为系统的性能瓶颈，nodejs 依然无法解决，即 nodejs 可以接收高并发请求，但如果需要处理大量慢 I/O 操作（比如读写磁盘），仍可能造成系统资源过载。所以高并发并不能简单的通过单线程 + 非阻塞 I/O 模型来解决

• CPU 密集型应用可能会让 nodejs 的单线程模型成为性能瓶颈

• nodejs 适合高并发处理少量业务逻辑或快 I/O（比如读写内存）