“異步”這個名詞的大規(guī)模流行是在Web 2.0浪潮中，它伴隨著Javascript和AJAX席卷了Web。但在絕大多數(shù)高級編程語言中，異步并不多見。PHP最能體現(xiàn)這個特點：它不僅屏蔽了異步，甚至連多線程也不提供，PHP都是以同步阻塞的方式來執(zhí)行。這樣的優(yōu)點利于程序猿順序編寫業(yè)務邏輯，但在復雜的網(wǎng)絡應用中，阻塞導致它無法更好地并發(fā)。

在服務器端，I/O非常昂貴，分布式I/O更加昂貴，只有后端能快速響應資源，前端的體驗才能變得更好。Node.js是首個將異步作為主要編程方式和設計理念的平臺，伴隨著異步I/O的還有事件驅動和單線程，它們構成Node的基調。本文將介紹Node是如何實現(xiàn)異步I/O的。

1. 基本概念

“異步”與“非阻塞”聽起來似乎是一回事，從實際效果而言，這兩者都達到了并行的目的。但是從計算機內核I/O而言，只有兩種方式：阻塞與非阻塞。因此異步/同步和阻塞/非阻塞實際上是兩回事。

1.1 阻塞I/O與非阻塞I/O

阻塞I/O的一個特點是調用之后一定要等到系統(tǒng)內核層面完成所有操作后，調用才結束。以讀取磁盤上的一個文件為例，系統(tǒng)內核在完成磁盤尋道、讀取數(shù)據(jù)、復制數(shù)據(jù)到內存中后，這個調用才結束。

阻塞I/O造成CPU等待I/O，浪費等待時間，CPU的處理能力不能得到充分利用。非阻塞I/O的特點就是調用之后會立即返回，返回后CPU的時間片可以用來處理其他事務。由于完整的I/O并沒有完成，立即返回的并不是業(yè)務層期待的數(shù)據(jù)，而僅僅是當前調用的狀態(tài)。為了獲取完整的數(shù)據(jù)，應用程序需要重復調用I/O操作來確認是否完成（即輪詢）。輪詢技術要以下幾種：

1.read：通過重復調用來檢查I/O狀態(tài)，是最原始性能最低的一種方式
2.select：對read的改進，通過對文件描述符上的事件狀態(tài)來進行判斷。缺點是文件描述符最大的數(shù)量有限制
3.poll：對select的改進，采用鏈表的方式避免最大數(shù)量限制，但描述符較多時，性能還是十分低下
4.epoll：進入輪詢時若沒有檢查到I/O事件，將會進行休眠，直到事件發(fā)生將其喚醒。這是當前Linux下效率最高的I/O事件通知機制

輪詢滿足了非阻塞I/O確保獲取完整數(shù)據(jù)的需求，但對于應用程序而言，它仍然只能算作一種同步，因為依然需要等待I/O完全返回。等待期間，CPU要么用于遍歷文件描述符的狀態(tài)，要么用于休眠等待事件發(fā)生。

1.2 理想與現(xiàn)實中的異步I/O

完美的異步I/O應該是應用程序發(fā)起非阻塞調用，無需通過輪詢就可以直接處理下一個任務，只需在I/O完成后通過信號或回調將數(shù)據(jù)傳遞給應用程序即可。

現(xiàn)實中的異步I/O在不同操作系統(tǒng)下有不同的實現(xiàn)，如*nix平臺采用自定義的線程池，Windows平臺采用IOCP模型。Node提供了libuv作為抽象封裝層來封裝平臺兼容性判斷，并保證上層Node與下層各平臺異步I/O的實現(xiàn)各自獨立。另外需要強調的是我們經(jīng)常提到Node是單線程的，這僅僅是指Javascript的執(zhí)行在單線程中，實際在Node內部完成I/O任務的都另有線程池。

2. Node的異步I/O

2.1 事件循環(huán)

Node的執(zhí)行模型實際上是事件循環(huán)。在進程啟動時，Node會創(chuàng)建一個無限循環(huán)，每一次執(zhí)行循環(huán)體的過程成為一次Tick。每個Tick過程就是查看是否有事件等待處理，如果有則取出事件及其相關的回調函數(shù)，若存在關聯(lián)的回調函數(shù)則執(zhí)行它們，然后進入下一個循環(huán)。如果不再有事件處理，就退出進程。

2.2 觀察者

每個事件循環(huán)中有若干個觀察者，通過向這些觀察者詢問來判斷是否有事件要處理。事件循環(huán)是一個典型的生產(chǎn)者/消費者模型。在Node中，事件主要來源于網(wǎng)絡請求、文件I/O等，這些事件都有對應的網(wǎng)絡I/O觀察者、文件I/O觀察者等，事件循環(huán)則從觀察者那里取出事件并處理。

2.3 請求對象

從Javascript發(fā)起調用到內核執(zhí)行完I/O操作的過渡過程中，存在一種中間產(chǎn)物，叫做請求對象。以最簡單的Windows下fs.open()方法（根據(jù)指定路徑和參數(shù)去打開一個文件并得到一個文件描述符）為例，從JS調用到內建模塊通過libuv進行系統(tǒng)調用，實際上是調用了uv_fs_open()方法。在調用過程中，創(chuàng)建了一個FSReqWrap請求對象，從JS層傳入的參數(shù)和方法都封裝在這個請求對象中，其中我們最為關注的回調函數(shù)被設置在這個對象的oncompete_sym屬性上。對象包裝完畢后，將FSReqWrap對象推入線程池中等待執(zhí)行。

至此，JS調用立即返回，JS線程可以繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)操作。當前的I/O操作在線程池中等待執(zhí)行，這就完成了異步調用的第一階段。

2.4 執(zhí)行回調

回調通知是異步I/O的第二階段。線程池中的I/O操作調用完畢后，會將獲取的結果儲存起來，然后通知IOCP當前對象操作已完成，并將線程歸還線程池。在每次Tick的執(zhí)行中，事件循環(huán)的I/O觀察者會調用相關的方法檢查線程池中是否有執(zhí)行完的請求，如果存在，會將請求對象加入到I/O觀察者的隊列中，然后將其當做事件處理。

3. 非I/O的異步API

Node中還存在一些與I/O無關的異步API，例如定時器setTimeout()、setInterval()，立即異步執(zhí)行任務的process.nextTick()和setImmdiate()等，這里略微介紹一下。

3.1 定時器API

setTimeout()和setInterval()瀏覽器端的API是一致的，它們的實現(xiàn)原理與異步I/O類似，只是不需要I/O線程池的參與。調用定時器API創(chuàng)建的定時器會被插入到定時器觀察者內部的一棵紅黑樹中，每次事件循環(huán)的Tick都會從紅黑樹中迭代取出定時器對象，檢查是否超過定時時間，若超過就形成一個事件，回調函數(shù)立即被執(zhí)行。定時器的主要問題在于它的定時時間并非特別精確（毫秒級，在容忍范圍內）。

3.2 立即異步執(zhí)行任務API

在Node出現(xiàn)之前，很多人也許為了立即異步執(zhí)行一個任務，會這樣調用：

由于事件循環(huán)的特點，定時器的精確度不夠，而且采用定時器需要使用紅黑樹，各種操作時間復雜度為O(log(n))。而process.nextTick()方法只會將回調函數(shù)放入隊列中，在下一輪Tick時取出執(zhí)行，復雜度為O(1)更為高效。

此外還有一個setImmediate()方法和上述方法類似，都是將回調函數(shù)延遲執(zhí)行。不過前者的優(yōu)先級要比后者高，這是因為事件循環(huán)對觀察者的檢查是有先后順序的。另外，前者的回調函數(shù)保存在一個數(shù)組中，每輪Tick會將數(shù)組中的所有回調函數(shù)全部執(zhí)行完；后者結果保存在鏈表中，每輪Tick只會執(zhí)行一個回調函數(shù)。

4. 事件驅動與高性能服務器

前面以fs.open()為例闡述了Node如何實現(xiàn)異步I/O。事實上對網(wǎng)絡套接字的處理，Node也應用了異步I/O，這也是Node構建Web服務器的基礎。經(jīng)典的服務器模型有：

1.同步式：一次只能處理一個請求，其余請求都處于等待狀態(tài)
2.每進程/每請求：為每個請求啟動一個進程，但系統(tǒng)資源有限，不具備擴展性
3.每線程/每請求：為每個請求啟動一個線程。線程比進程要輕量，但每個線程都占用一定內存，當大并發(fā)請求到來時，內存很快就會用光

著名的Apache采用的就是每線程/每請求的形式，這也是它難以應對高并發(fā)的原因。Node通過事件驅動方式處理請求，可以省掉創(chuàng)建和銷毀線程的開銷，同時操作系統(tǒng)在調度任務時因為線程較少，上下文切換的代價也很低。即使在大量連接的情況下，Node也能有條不紊地處理請求。

知名服務器Nginx也摒棄了多線程的方式，采用和Node一樣的事件驅動方式。如今Nginx大有取代Apache之勢。Nginx采用純C編寫，性能較高，但是它僅適合做Web服務器，用于反向代理或負載均衡等。Node可以構建與Nginx相同的功能，也可以處理各種具體業(yè)務，自身性能也不錯。在實際項目中，我們可以結合它們各自有點，以達到應用的最佳性能。

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