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Nodejs的运行原理(科普篇)

Nodejs目前处境稍显尴尬,很多语言都已经拥有异步非阻塞的能力。阿里的思路是比较合适的,但是必须要注意,绝对不能让node做太多的业务逻辑,他只适合接收生成好的数据,然后或渲染后,或直接发送到客户端。

为什么nodejs 还可以成为主流技术哪?

是因为nodejs 对于大前端来说还是非常重要的技术!!!如果你理解nodejs 的编程原理,很容易就会理解angularjs,reactjs 和vuejs 的设计原理。

NodeJS

Node是一个服务器端JavaScript解释器,用于方便地搭建响应速度快、易于扩展的网络应用。Node使用事件驱动,非阻塞I/O 模型而得以轻量和高效,非常适合在分布式设备上运行数据密集型的实时应用。 

Node是一个可以让JavaScript运行在浏览器之外的平台。它实现了诸如文件系统、模块、包、操作系统 API、网络通信等Core JavaScript没有或者不完善的功能。历史上将JavaScript移植到浏览器外的计划不止一个,但Node.js 是最出色的一个。

node.js

V8引擎

V8 JavaScript引擎是Google用于其Chrome浏览器的底层JavaScript引擎。很少有人考虑JavaScript在客户机上实际做了些什么!

实际上,JavaScript引擎负责解释并执行代码。Google使用V8创建了一个用C++编写的超快解释器,该解释器拥有另一个独特特征;您可以下载该引擎并将其嵌入任何应用程序。V8 JavaScript引擎并不仅限于在一个浏览器中运行。

因此,Node实际上会使用Google编写的V8 JavaScript引擎,并将其重建为可在服务器上使用。

事件驱动

在我们使用Java,PHP等语言实现编程的时候,我们面向对象编程是完美的编程设计,这使得他们对其他编程方法不屑一顾。却不知大名鼎鼎Node使用的却是事件驱动编程的思想。那什么是事件驱动编程。 
事件驱动编程,为需要处理的事件编写相应的事件处理程序。代码在事件发生时执行。 

为需要处理的事件编写相应的事件处理程序。要理解事件驱动和程序,就需要与非事件驱动的程序进行比较。实际上,现代的程序大多是事件驱动的,比如多线程的程序,肯定是事件驱动的。早期则存在许多非事件驱动的程序,这样的程序,在需要等待某个条件触发时,会不断地检查这个条件,直到条件满足,这是很浪费cpu时间的。而事件驱动的程序,则有机会释放cpu从而进入睡眠态(注意是有机会,当然程序也可自行决定不释放cpu),当事件触发时被操作系统唤醒,这样就能更加有效地使用cpu。 
来看一张简单的事件驱动模型(uml):

Nodejs的运行原理(科普篇)

事件驱动模型主要包含3个对象:事件源事件事件处理程序

事件源:产生事件的地方(html元素)

事件:点击/鼠标操作/键盘操作等等

事件对象:当某个事件发生时,可能会产生一个事件对象,该时间对象会封装好该时间的信息,传递给事件处理程序

事件处理程序:响应用户事件的代码

运行原理

当我们搜索Node.js时,夺眶而出的关键字就是 “单线程,异步I/O,事件驱动”,应用程序的请求过程可以分为俩个部分:CPU运算和I/O读写,CPU计算速度通常远高于磁盘读写速度,这就导致CPU运算已经完成,但是不得不等待磁盘I/O任务完成之后再继续接下来的业务。 
所以I/O才是应用程序的瓶颈所在,在I/O密集型业务中,假设请求需要100ms来完成,其中99ms化在I/O上。如果需要优化应用程序,让他能同时处理更多的请求,我们会采用多线程,同时开启100个、1000个线程来提高我们请求处理,当然这也是一种可观的方案。 

但是由于一个CPU核心在一个时刻只能做一件事情,操作系统只能通过将CPU切分为时间片的方法,让线程可以较为均匀的使用CPU资源。但操作系统在内核切换线程的同时也要切换线程的上线文,当线程数量过多时,时间将会被消耗在上下文切换中。所以在大并发时,多线程结构还是无法做到强大的伸缩性。 

那么是否可以另辟蹊径呢?!我们先来看看单线程,《深入浅出Node》一书提到 “单线程的最大好处,是不用像多线程编程那样处处在意状态的同步问题,这里没有死锁的存在,也没有线程上下文切换所带来的性能上的开销”,那么一个线程一次只能处理一个请求岂不是无稽之谈,先让我们看张图:

Nodejs的运行原理(科普篇)

Node.js的单线程并不是真正的单线程,只是开启了单个线程进行业务处理(cpu的运算),同时开启了其他线程专门处理I/O。当一个指令到达主线程,主线程发现有I/O之后,直接把这个事件传给I/O线程,不会等待I/O结束后,再去处理下面的业务,而是拿到一个状态后立即往下走,这就是“单线程”、“异步I/O”。

I/O操作完之后呢?Node.js的I/O 处理完之后会有一个回调事件,这个事件会放在一个事件处理队列里头,在进程启动时node会创建一个类似于While(true)的循环,它的每一次轮询都会去查看是否有事件需要处理,是否有事件关联的回调函数需要处理,如果有就处理,然后加入下一个轮询,如果没有就退出进程,这就是所谓的“事件驱动”。这也从Node的角度解释了什么是”事件驱动”。

node.js中,事件主要来源于网络请求,文件I/O等,根据事件的不同对观察者进行了分类,有文件I/O观察者,网络I/O观察者。事件驱动是一个典型的生产者/消费者模型,请求到达观察者那里,事件循环从观察者进行消费,主线程就可以马不停蹄的只关注业务不用再去进行I/O等待。

优点

Node 公开宣称的目标是 “旨在提供一种简单的构建可伸缩网络程序的方法”。我们来看一个简单的例子,在 Java和 PHP 这类语言中,每个连接都会生成一个新线程,每个新线程可能需要 2 MB的配套内存。在一个拥有 8 GB RAM 的系统上,理论上最大的并发连接数量是 4,000 个用户。随着您的客户群的增长,如果希望您的 Web 应用程序支持更多用户,那么,您必须添加更多服务器。所以在传统的后台开发中,整个 Web 应用程序架构(包括流量、处理器速度和内存速度)中的瓶颈是:服务器能够处理的并发连接的最大数量。这个不同的架构承载的并发数量是不一致的。

而Node的出现就是为了解决这个问题:更改连接到服务器的方式。在Node 声称它不允许使用锁,它不会直接阻塞 I/O 调用。Node在每个连接发射一个在 Node 引擎的进程中运行的事件,而不是为每个连接生成一个新的 OS 线程(并为其分配一些配套内存)。

缺点

如上所述,nodejs的机制是单线程,这个线程里面,有一个事件循环机制,处理所有的请求。在事件处理过程中,它会智能地将一些涉及到IO、网络通信等耗时比较长的操作,交由worker threads去执行,执行完了再回调,这就是所谓的异步IO非阻塞吧。但是,那些非IO操作,只用CPU计算的操作,它就自己扛了,比如算什么斐波那契数列之类。它是单线程,这些自己扛的任务要一个接着一个地完成,前面那个没完成,后面的只能干等。因此,对CPU要求比较高的CPU密集型任务多的话,就有可能会造成号称高性能,适合高并发的node.js服务器反应缓慢。

适合场景

1、RESTful API

这是适合 Node 的理想情况,因为您可以构建它来处理数万条连接。它仍然不需要大量逻辑;它本质上只是从某个数据库中查找一些值并将它们组成一个响应。由于响应是少量文本,入站请求也是少量的文本,因此流量不高,一台机器甚至也可以处理最繁忙的公司的 API 需求。

2、实时程序

比如聊天服务,聊天应用程序是最能体现 Node.js 优点的例子:轻量级、高流量并且能良好的应对跨平台设备上运行密集型数据(虽然计算能力低)。同时,聊天也是一个非常值得学习的用例,因为它很简单,并且涵盖了目前为止一个典型的 Node.js 会用到的大部分解决方案。

3、单页APP

ajax很多。现在单页的机制似乎很流行,比如phonegap做出来的APP,一个页面包打天下的例子比比皆是。

总而言之,NodeJS适合运用在高并发、I/O密集、少量业务逻辑的场景

原创文章,作者:蓝颜夕,如若转载,请注明出处:http://www.lanyanxi.com/lanyanxi/130.html

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