Node.js入门(三) : js的单线程异步语言特性、异步IO

JS的单线程异步是什么意思?

单线程异步其实,我第一次接触到这个概念,是很迷惑的,所以这里就将我自解惑之后的理解说一下,有什么不合理的也请大家指正:

首先,异步是什么意思?
和同步相对,同步是顺序执行,而异步是彼此独立,在等待某个事件的过程中继续做自己的事,不要等待这一事件完成后再工作。
异步的实现方法有哪些?

  • 线程是实现异步的一个方式,是让调用方法的主线程不需要同步等待另一个线程的完成,从而让主线程干其他事情。
  • 或者是直接让其他进程来执行
异步编程带来的难点
  • 异常处理:异步I/O包含两个阶段,提交请求和处理结果,这两个阶段中有事件循环的调度,两者彼此不关联。异步方法通常在第一个阶段提交请求后立即返回,因为异常并不一定发生在这个阶段,try/catch在此处不会发挥任何作用
  • 函数嵌套过深 {{{{{{{{{{
  • 多线程编程时需要面临
    • 开发人员要面临跨线程通信编程
    • child_process
    • cluster

多线程只是异步的一种实现手段而已,并不代表,实现异步都需要多线程。但是JS本身很明显上面两种情况都不符合,那到底是怎么回事?

我理解的js的单线程异步,其实本质上还是多线程来实现的.

JS的单线程异步的实现

其实,如果不考虑使用进程实现异步,那么单线程和异步不能同时成为一个语言的特性。这句话其实是对的。
js是单线程,这里的单线程仅仅只能说明JavaScript执行在单线程中,js选择了成为单线程的语言,所以它本身不可能是异步的,但js的宿主环境(比如浏览器,Node的Chrome V8)是多线程的,宿主环境通过某种方式(事件驱动模型[1])使得js具备了异步的属性。

js异步单线程在浏览器的实现: 利用了浏览器线程池

js是单线程语言,浏览器只分配给js一个主线程,用来执行任务(函数),但一次只能执行一个任务,这些任务形成一个任务队列排队等候执行,但前端的某些任务是非常耗时的,比如网络请求,定时器和事件监听,如果让他们和别的任务一样,都老老实实的排队等待执行的话,执行效率会非常的低,甚至导致页面的假死。所以,浏览器为这些耗时任务开辟了另外的线程,主要包括http请求线程,浏览器定时触发器,浏览器事件触发线程,这些任务是异步的

js异步单线程在Node中的实现:利用系统线程池
  • Node采用Chrome V8引擎处理JavaScript脚本,V8最大的特点就是单线程运行,一次只能运行一个任务,代码从上到下按顺序执行

  • Node大量采用异步操作,即任务不是马上执行,而是插在任务队列的尾部,等到前面的任务运行完后再执行

  • 传统的开发方式大部分都是IO阻塞的,例如读文件,都是读取完毕才能进行下一步操作,所以需要多线程来更好的利用硬件资源,所以有时候会给人带来一种错觉:线程越多越好

  • 异步IO也叫非阻塞IO就是Node的callback,不会影响下一步操作,等到文件读取完毕,回调函数自动被执行。而不是在等待。

但是:异步IO的IO操作是在什么地方执行? -- 系统线程池
  • 注意:Node是单线程的,这里的单线程仅仅只是JavaScript执行在单线程中。在Node中,无论是类Unix还是Windows平台,内部完成I/O任务的有线程池,主要用来执行IO操作
  • Node在Windows下使用的异步解决方案是Windows下的IOCP:调用异步方法,等待I/O完成之后的通知,执行回调,用户无需考虑轮询。但是它的内部其实仍然是线程池原理,不同之处在于这些线程池由系统内核接受管理
  • Node在Unix/Linux平台下,0.9.3版本之前使用的是libeio配合libev实现的异步I/O,在0.9.3中,自行实现了线程池来完成异步I/O

由于Windows和Unix/Linux平台的差异,Node提供了libuv作为抽象封装层,保证上层的Node与下层的自定义线程池及IOCP之间各自独立

Node.js --> libuv --> Unix/Linux自定义线程池 、Windows的IOCP

node.js中的异步IO操作和异步非IO操作 API

  • 异步IO API
    • 操作文件
    • 网络请求
  • 异步非IO API (原理同异步IO稍有不同,并没有开启新线程,js中是先把主任务(代码任务)执行完毕,然后再去执行下面两个方法中的代码
    • setTimeout
    • setInterval

总结

  • nodejs 是单线程的,这个单线程指的就是主线程,主线程不能异步,只能顺序执行;

  • 但是主线程可以调用线程池来实现并发,线程池里的任务执行完成后发送一个事件到事件队列事件循环会不断检测事件队列,发现有未处理的事件就分别调用它们的 callback 函数;

  • callback 函数是顺序执行的,如果一个 callback 函数耗时很长,会阻塞事件循环,所以耗时很长的操作比如 IO 操作应该放在线程池里面执行;

  • 主线程自始至终都是在事件循环中,主线程中的代码都是顺序执行,但是把耗时操作放在线程池中,然后写上 callback 函数,主线程的代码会继续向下执行,而事件循环会在适时的时候调用 callback 函数。所以在后面的代码可能比在前面的先执行完。

优点:

  1. 不会程序员本身来创建、管理、销毁线程,由运行平台来处理,简化了代码

  2. 事件驱动模型优于传统多线程模型编程的好处:不会创建过多的线程,避免了阻塞IO带来的性能浪费。
    这个对比就相当于:

     有100个`任务`,需要去`执行`,但是只有一台机器CPU
     传统做法就是开100条`线程`来做,但是CPU本质上还是轮询处理的。所以,其他的就相当于是在阻塞中,等着,资源浪费
     单线程异步,可能就是开一条或者两条,而且还是直接在系统线程中跑。在CPU处理能力固定的情况下,充分利用现有线程,而不是开启一些线程一直在阻塞中。留下回调,处理IO完成之后的操作
    

参考链接: https://www.cnblogs.com/woodyblog/p/6061671.html


  1. 事件驱动模型:我在另一篇文章事件驱动模型、Nodejs作为事件驱动模型与多线程编程模型之间的对比中讲过,这里就不再赘述了)

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