[NodeJS] NodeJS运行原理简记

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所属分类:Web前端
摘要

NodeJS是JavaScript运行时,主要由V8引擎和libuv组成,其中V8使用 javascript 和 c++ 编写,而libuv是纯 c++ 编写的,二者都是开源的。


NodeJS的基本组成

NodeJS是JavaScript运行时,主要由V8引擎和libuv组成,其中V8使用 javascript 和 c++ 编写,而libuv是纯 c++ 编写的,二者都是开源的。

[NodeJS] NodeJS运行原理简记

V8引擎用于将 javascript 代码转换为计算机可以执行的机器码;

而libuv则负责完成异步IO、与操作系统交互(文件系统和网络模块)、事件循环、线程池等等。

Node还有其它模块:

  • http-parser:用于解析http;
  • c-ares:用于处理DNS请求;
  • OpenSSL:用于加密和安全编程;
  • zlib:与压缩有关。

总而言之,NodeJS相当于Javascript和操作系统之间的一个抽象层,为开发人员提供了API,使得开发人员可以编写纯JavaScript代码来操控操作系统。

NodeJS的特点

  • 单线程,基于事件驱动的非阻塞IO模型,使得NodeJS非常轻量级和高效;
  • 适用于需要快速且可扩展的数据密集型Web应用程序,例如:
    • 带有数据库的API(最好是像MongoDB这样的NoSQL数据库);
    • 数据流式传输
    • 实时聊天应用
    • 服务端Web应用(例如使用Pug这种模板引擎的模式)
  • 不适用于CPU密集型的服务端处理任务,例如图像处理、视频转换、文件压缩等等。

NodeJS程序的工作流程

NodeJS工作在单线程中,在开发后端服务的时候,应该时刻注意不要阻塞这个线程。

在启动NodeJS进程之后,主线程的工作流程如下:

  1. 初始化程序 initialize program
  2. 执行顶层代码 execute top-level code
  3. 获取依赖模块 require modules
  4. 注册回调事件 register event callbacks
  5. 启动事件循环 start event loop

事件循环是整个Node应用的核心,只能应付简单的任务,开销较大的任务不能在事件循环中执行,否则会阻塞主线程(对于后端服务来说是致命的)。

开销较大的任务实际上会被卸载到libuv提供的线程池中执行,线程池默认的数量是4,可以配置,至多128个。(配置项是process.env.UV_THREADPOLL_SIZE

如何卸载任务和卸载哪些任务到线程池是由Node处理的,与开发人员无关。会被卸载到线程池执行的任务是计算开销比较大的,比如:

  1. 文件系统API
  2. 与密码学相关的API
  3. 与压缩有关的操作
  4. DNS查询

事件循环

Node中的事件循环分为多个阶段,每个阶段都有对应的回调队列,每次到达一个阶段,会执行队列里的任务。

当队列被清空或者执行一定数量的任务后,则会进入下一个阶段。

具体流程如下:

详细的总结可以看官方文档:Node.js — The Node.js Event Loop (nodejs.org)

或者可以看我之前写的一篇博客:[NodeJS] NodeJS事件循环 - feixianxing - 博客园 (cnblogs.com)

graph TD; start-->timers; timers==>pending[pending callbacks]; pending==>idle[idle, prepare]; idle==>poll[poll callbacks]; poll==>check; check==>close[close callbacks]; close==>if[Any pending timers or I/O tasks?]; if-->|YES|timers; if-->|NO|exit[exit program]; incoming[incoming: connections, data, etc.]-.->poll

对于刚开始尝试使用NodeJS开发后端应用的前端开发人员来说,使用NodeJS编写服务端代码有以下注意事项:

  1. 在回调函数中使用fscryptozlib的API都应该使用异步的,因为这时已经进入事件循环阶段了,不能阻塞;而在顶层同步代码的范围内,则可以根据情况选择同步或者异步API。

    案例:有一个接口,它的响应与一个较大的文件有关,而这个文件的内容是不变的。假如每次请求都去异步地读取这个文件内容,然后再返回的话,其实很耗费时间,可以考虑在启动服务器的时候就同步/异步的读取文件内容保存到一个变量里,后续每次请求只需要拿变量的数据就OK了(其实就是做了个缓存,不需要每次请求都去磁盘找内容,在服务启动的时候就把内容先读到内存了)。

  2. 不要执行复杂的计算(即时间复杂度高的算法);

  3. 谨慎处理复杂对象的JSON序列化;

  4. 不要使用复杂的正则表达式;

  5. 将耗时任务卸载给线程池或者使用child.processes

总结:核心思想就是不要阻塞主线程,因为来自所有用户的所有请求都通过主线程处理,一旦阻塞基本上服务就废了。

事件驱动架构

NodeJS提供了一个events模块,其中有一个类是EventEmitter,这个类是NodeJS事件驱动架构的核心,很多其它NodeJS的核心类都继承了这个类。

http模块中的 server 就是继承了EventEmitter,因此有相关的 on 方法:

const server = http.createServer(); server.on('request', (req, res)=>{  console.log('Request received');  res.end('Request received'); }); 

EventEmitter是基于发布/订阅模式设计的:

  • 发布者Emitters通过emit方法发布指定名称的事件;
  • 订阅者Listeners通过on方法订阅指定名称的事件并注册回调函数。

简单地介绍发布/订阅模式:发布者和订阅者之间是松散耦合的,它们互相不知道对方的存在,仅通过中间的消息代理进行通信。

EventEmitter使用指南

  1. 限制监听器数量:一个事件如果有太多监听器会占用大量内存。可以使用 setMaxListeners 方法来控制最大监听器数量。

    const EventEmitter = require('events'); const emitter = new EventEmitter(); emitter.setMaxListeners(10); // 设置最大监听器数量为10 
  2. 正确处理错误:始终提供错误监听器以捕获和优雅地处理错误;如果没有监听错误事件,emit('error')会抛出异常,并打印调用堆栈,结束进程。

  3. 移除不再使用的监听器:在不再需要时清理监听器,以释放资源。

  4. 使用描述性的事件名称:使用有意义且描述性的事件名称,使代码更加可读和易于维护。

参考

[1] B站 NodeJS 教学视频
[2] Events | Node.js v22.4.0 Documentation
[3] Node.js——The Node.js Event Loop
[4] [NodeJS] NodeJS事件循环 - feixianxing - 博客园
[5] geeks for geeks: What is EventEmitter in Node.js ?