1 nodejs 中的異步存在嗎伤为？

現(xiàn)在有點(diǎn) javascript 基礎(chǔ)的人都在聽說過 nodejs ，而只要與 javascript 打交到人都會用或者是將要使用 nodejs 据途。畢竟 nodejs 的生態(tài)很強(qiáng)大绞愚，與 javascript 相關(guān)的工具也做的很方便，很好用颖医。

javascript 語言很小巧位衩，但是一旦與 nodejs 中的運(yùn)行環(huán)境放在一起，有些概念就很難理解熔萧，特別是異步的概念糖驴。有人會說不會啊僚祷，很好理解啊贮缕？不就是一個ajax請求加上一個回調(diào)函數(shù)辙谜，這個ajax函數(shù)就是能異步執(zhí)行的函數(shù)，他在執(zhí)行完了就會調(diào)用回調(diào)函數(shù)感昼，我承認(rèn)這個樣做是很容易装哆，早些時候我甚至認(rèn)為在 javascript 中加了回調(diào)函數(shù)的函數(shù)都可以異步的，異步和回調(diào)函數(shù)成對出現(xiàn)定嗓。多么荒謬的理解巴汕佟！

直到有一天宵溅，我在寫程序時想到一個問題：在 nodejs 中在不調(diào)用系統(tǒng)相關(guān) I/O 凌简，不調(diào)用 c++ 寫的 plugin 的情況下，寫一個異步函數(shù)恃逻？我查了資料雏搂，有人給我的答案是調(diào)用 setTimeout(fn,delay) 就變成了異步了。但是我還是不明白為什么要調(diào)用這樣一個函數(shù)寇损，這個函數(shù)的語義跟async完全不一樣畔派，為什么這樣就行？

帶著這個疑問润绵，我查了很多資料，包括官方文檔胞谈，代碼尘盼，別人的blog。慢慢的理解烦绳，最后好像是知道了為什么會是這樣卿捎，整篇文章就是對所了解東西的理解。懇請大家批評指正径密。

說明：nodejs 的文檔是用的 v5.10.1 API午阵，而代碼方面：nodejs 和 libuv 是用的 master 分支。

2 nodejs 的架構(gòu)基礎(chǔ)

在探索 nodejs 的異步時享扔，首先需要對 nodejs 架構(gòu)達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)識：

1. nodejs 有 javascript 的運(yùn)行環(huán)境底桂，目前它的實(shí)現(xiàn)是 chrome 的 V8 引擎。
2. nodejs 基于事件驅(qū)動和非阻塞 I/O 模型惧眠，目前它的實(shí)現(xiàn)是 libuv籽懦。
3. 當(dāng)前的 libuv 是多線程的，文檔中有說明氛魁。
4. nodejs 在運(yùn)行時只生成了一個 javascript 運(yùn)行環(huán)境 的實(shí)例暮顺，也就是說 javascript 解釋器只有一個厅篓。
5. nodejs 在主線程中調(diào)用 V8 引擎的實(shí)例執(zhí)行 javascript 代碼。

如果以上 5 點(diǎn)你不認(rèn)同的話捶码，那下面就不需要看了羽氮，看了會覺得漏洞百出。

上面的 5 點(diǎn)主要說明另一層意思了：

1. nodejs 的 javascript 運(yùn)行環(huán)境可以換惫恼，在 nodejs 官方 github
   中 PR档押，可以看這個，微軟想把 javascript 運(yùn)行環(huán)境換成自己家的尤筐。
2. nodejs 的事件驅(qū)動和非阻塞 I/O 模型也可以換汇荐，目前來看 libuv 運(yùn)行的不錯，大家都很高興盆繁。另外掀淘，你可能不知道，chromium 和 chrome 中使用了另一個實(shí)現(xiàn) libevent2油昂，證據(jù)在這里：鏈接革娄。
3. nodejs 不是單線程，它是多線程程序冕碟，因?yàn)?libuv 就已經(jīng)是多線程了拦惋。
4. 因?yàn)槭乔度胧?js 引擎，只能調(diào)用宿主環(huán)境中提供的方法安寺。當(dāng)前來說厕妖，nodejs 主要把 libuv 的 io/timer 接口提供給了 js 引擎，其他的沒有提供（包括 libuv 的工作線程）挑庶。
5. nodejs 也沒有提供給 js引擎 新建調(diào)用系統(tǒng)線程的任何方法言秸，所以在nodejs中執(zhí)行 javascript，是沒有辦法新開線程的迎捺。
6. js 引擎只有一個實(shí)例且在 nodejs 的主線程中調(diào)用举畸。

結(jié)論

1. nodejs 中存在異步，集中在 I/O 和 Timer 調(diào)用這一塊凳枝，其他的地方?jīng)]有抄沮。
2. js 引擎沒有異步或者并行執(zhí)行可能，因?yàn)?js 引擎是在 nodejs 的主線程調(diào)用岖瑰，所以 js 引擎執(zhí)行的 javascript 代碼都是同步執(zhí)行叛买，沒有異步執(zhí)行。所以你想寫出來一個不調(diào)用 I/O和 的異步方法蹋订，不可能聪全。

那nodejs中常談的異步和回調(diào)是怎么回事？

3 nodejs 中的回調(diào)和異步的關(guān)系是什么辅辩？

在 javascript 中使用回調(diào)函數(shù)可所謂登峰造極难礼，基本上所有的異步函數(shù)都會要求有一個回調(diào)函數(shù)娃圆，以至于寫 javascript 寫多了，看到回調(diào)函數(shù)的接口蛾茉，都以為是異步的調(diào)用讼呢。

但是真相是回調(diào)函數(shù)，只是javascript 用來解決異步函數(shù)調(diào)用如何處理返回值這個問題的方法谦炬，或這樣來說：異步函數(shù)調(diào)用如何處理返回值這個問題上悦屏，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面而言，有很多辦法键思，而 nodejs 選擇了 javascript 的傳統(tǒng)方案础爬，用回調(diào)函數(shù)來解決這個問題。

這個選擇好不好吼鳞，我認(rèn)為在當(dāng)時來說看蚜，很合適。但隨著 javascript 被用來寫越來越大的程序赔桌，這個選擇不是一個好的選擇供炎，因?yàn)榛卣{(diào)函數(shù)嵌套多了真的很難受，我覺得主要是很難看疾党，(就跟 lisp 的 )))))))))))) )音诫，讓一般人不好接受，現(xiàn)在情況改善多了雪位，因?yàn)橛辛薖romise竭钝。

結(jié)論

1. 回調(diào)函數(shù)與異步?jīng)]有關(guān)系，只是在 javascript 中用來解決異步的返回值的問題雹洗，所以異步函數(shù)必須帶一個回調(diào)函數(shù)蜓氨，他們成對出現(xiàn)，讓人以為有關(guān)系队伟。
2. 在 javascript 中有回調(diào)不一定是異步函數(shù)，而異步必須帶一個回調(diào)函數(shù)幽勒。

4 nodejs 中怎樣解決異步的問題嗜侮？

前面也說了，nodejs 的 js 引擎不能異步執(zhí)行 javascript 代碼啥容。那js中我們常使用的異步是什么意思的锈颗？

答案分為兩部分：

第一部分：與I/O和timer相關(guān)的任務(wù)，js引擎確實(shí)是異步咪惠，調(diào)用時委托 libuv 進(jìn)行 I/O 和timer 的相關(guān)調(diào)用击吱，好了之后就通知 nodejs，nodejs 然后調(diào)用 js 引擎執(zhí)行 javascript 代碼遥昧；

第二部分：其它部分的任務(wù)覆醇，js 引擎把異步概念（該任務(wù)我委托別人執(zhí)行朵纷，我接著執(zhí)行下面的任務(wù)，別人執(zhí)行完該任務(wù)后通知我）弱化成稍后執(zhí)行（該任務(wù)我委托自己執(zhí)行但不是現(xiàn)在永脓，我接著執(zhí)行下面的任務(wù)袍辞，該任務(wù)我稍后會自己執(zhí)行，執(zhí)行完成后通知我自己）的概念常摧。

這就是 js 引擎中異步的全部意思搅吁。基本上等同我們常說的：我馬上做這件事落午。不過還是要近一步解釋一下第二部分：

1. 任務(wù)不能委托給別人谎懦，都是自己做。
2. 如果當(dāng)前我做的事件需要很長時間溃斋，那我馬上要做的事一直推遲界拦，等我做了完手頭這件事再說。

nodejs 中 js 引擎把異步變成了稍后執(zhí)行盐类，使寫 javascript 程序看起來像異步執(zhí)行寞奸，但是并沒有減少任務(wù)，因此在 javascript 中你不能寫一個需要很長時間計(jì)算的函數(shù)（計(jì)算Pi值1000位在跳，大型的矩陣計(jì)算）枪萄，或者在一個tick（后面會說）中執(zhí)行過多的任務(wù)，如果你這樣寫了猫妙，整個主線程就沒有辦法響應(yīng)別的請求瓷翻，反映出來的情況就是程序卡了，當(dāng)然如果非要寫當(dāng)然也有辦法割坠，需要一些技巧來實(shí)現(xiàn)齐帚。

而 js 引擎稍后執(zhí)行中稍后到底是多久，到底執(zhí)行哪些任務(wù)彼哼？這些問題就與 nodejs 中四個重要的與時間有關(guān)的函數(shù)有關(guān)了对妄，他們分別是：setTimeout，setInterval敢朱，process.nextTick剪菱，setImmediate。下面簡單了解一下這四個函數(shù)：

setTimeout 和 setInterval

setImeout 主要是延遲執(zhí)行函數(shù)拴签，其中有一個比較特別的調(diào)用：setTimeout(function(){/* code */},0)孝常，經(jīng)常見使用，為什么這樣使用看看后面蚓哩。還有 setInterval 周期性調(diào)用一個函數(shù)构灸。

setImmediate 和 process.nextTick

setImmediate 的意思翻譯過來是立刻調(diào)用的意思，但是官方文檔的解釋是：

Schedules "immediate" execution of callback after I/O events' callbacks and before timers set by setTimeout and setInterval are triggered.

翻譯過來大意就是：被 setImmediate 的設(shè)置過的函數(shù)岸梨，他的執(zhí)行是在 I/O 事件的回調(diào)執(zhí)行之后喜颁，在 計(jì)時器觸發(fā)的回調(diào)執(zhí)行之前稠氮，也就是說在 setTimeout 和 setInterval 之前，好吧這里還有一個順序之分洛巢。

process.nextTick 可就更怪了括袒。官方的意思是：

It runs before any additional I/O events (including timers) fire in subsequent ticks of the event loop.

翻譯過來大意就是：他運(yùn)行在任何的 I/O 和定時器的　subsequent ticks 之前。

又多了很多的概念稿茉，不過別慌锹锰，在下面會講 nodejs 的EventLoop，這里講的很多的不理解地方就會在 EventLoop 中講明白漓库。

5 nodejs 中神秘的 EventLoop

EvevtLoop大體上來說就是一個循環(huán)恃慧，它不停的檢查注冊到他的事件有沒有發(fā)生，如果發(fā)生了渺蒿，就執(zhí)行某些功能痢士，一次循環(huán)通常叫tick。這里有講EventLoop茂装，還有這里怠蹂。

在 nodejs 中也存在這樣一個 EventLoop，不過它是在 libuv 中少态。它每一次循環(huán)叫 tick城侧。而在每一次 tick 中會有不同的階段，每一個階段可以叫 subTick彼妻，也就說是這個tick的子tick嫌佑，libuv就有很多的子 tick，如I/O 和定時器等侨歉。下面我用一張圖來表示一下屋摇，注意該循環(huán)一直在 nodejs 的主線程中運(yùn)行：

    +-------------+
    |             |
    |             |
    |       +-----v----------------------+
    |       |                            |
    |       | uv__update_time(loop)      |  subTick
    |       |                            |
    |       +-----+----------------------+
    |             |
    |             |
    |       +-----v----------------------+
    |       |                            |
    |       | uv__run_timers(loop)       |  subTick
    |       |                            |
tick|       +-----+----------------------+
    |             |
    |             |
    |       +-----v----------------------+
    |       |                            |
    |       | uv__io_poll(loop, timeout) |  subTick
    |       |                            |
    |       +-----+----------------------+
    |             |
    |             |
    |       +-----v----------------------+
    |       |                            |
    |       | uv__run_check(loop)        |  subTick
    |       |                            |
    |       +-----+----------------------+
    |             |
    |             |
    |             |
    +-------------+

以上的流程圖已經(jīng)進(jìn)行了裁減，只保留重要的內(nèi)容幽邓，如果你想詳細(xì)了解炮温，可在 libuv/src/unix/core.cc，第334行：uv_run函數(shù)進(jìn)行詳細(xì)了解牵舵。

下面來解釋一下各個階段的作用：

uv__update_time是用來更新定時器的時間柒啤。uv__run_timers是用來觸發(fā)定時器，并執(zhí)行相關(guān)函數(shù)的地方棋枕。uv__io_poll是用來 I/O觸發(fā)后執(zhí)行相關(guān)函數(shù)的地方。
uv__run_check的用處代碼中講到妒峦。

了解到 nodejs 中 EventLoop 的執(zhí)行階段后重斑，需要更深一步了解在 nodejs 中 js引擎和EvevtLoop是如何被整合在一起工作的。以下是一些偽代碼肯骇，它用來說明一些機(jī)制窥浪。

不過你需要知道在 nodejs 中 setTimeout祖很、setInterval、setImmediate和process.nextTick都是系統(tǒng)級的調(diào)用漾脂，也就是他們都是c++ 來實(shí)現(xiàn)的假颇。setTimeout和setInterval 可看看這個文件：timer_wrap.cc。另外兩個我再補(bǔ)吧骨稿。

class V8Engine {
  let _jsVM;
  
  V8Engine(){
     _jsVM = /*js 執(zhí)行引擎 */;
  }
  
  void invoke(handlers){
  // 依次執(zhí)行笨鸡，直到 handlers 為空
    handlers.forEach(handler,fun => _jsVM.run(handler));
  }
}

class EvenLoop {
  let _jsRuntime = null;
  let _callbackHandlers = []; 【1】
  let _processTickHandlers = []; 【2】
  let _immediateHandlers = []; 【3】

  // 構(gòu)造函數(shù)
  EvenLoop(jsRuntime){
   _jsRuntime = jsRuntime;
  }

  void start(){
    where(true){
      _jsRuntime.invoke(_processTickHandlers); 【4】
      _processTickHandlers.clear();

      update_time();
      run_timer(); 
      run_pool();
      run_check();

      if (process.exit){
        _jsRuntime.invoke(_processTickHandlers); 【5】
        _processTickHandlers.clear();
        break;
      }
    }
  }

  void update_time(){
      //  更新 timer 的時間
  }

  void run_timer(){ 【6】
    let handlers = getTimerHandler(); 
    _callbackHandlers.push(handlers);
    _jsRuntime.invoke(_callbackHandlers);
    _jsRuntime.invoke(_processTickHandlers);
    _callbackHandlers.clear();
    _processTickHandlers.clear();
  }

  void run_pool(){  【6】
    let handlers = getIOHandler(); 
    _callbackHandlers.push(handlers);
    _jsRuntime.invoke(_callbackHandlers);
    _jsRuntime.invoke(_processTickHandlers);
    _callbackHandlers.clear();
    _processTickHandlers.clear();
  }

  void run_check(){  【7】
    let handlers = getImmediateHandler();
    _immediateHandlers.push(handlers);
    _jsRuntime.invoke(_immediateHandlers);
    _immediateHandlers.clear();
  }
 
}

main(){
  JsRuntime jsRuntime = new V8Engine();
  EventLoop eventLoop = new EventLoop(jsRuntime);
  eventLoop.start();
}

// 主線程中執(zhí)行
main();

以上代碼是 nodejs 的粗略的執(zhí)行過程，還想進(jìn)一步了解坦冠，可以看這從入口函數(shù)看起：node_main.cc

按標(biāo)號進(jìn)行說明：

1. 全局的回調(diào)事件先進(jìn)先出隊(duì)列形耗，包括了 I/O 事件和 Timer 事件的回調(diào)對象。
2. 全局的nextTick的回調(diào)對象先進(jìn)先出隊(duì)列辙浑。
3. 全局的setImmediate的回調(diào)對象先進(jìn)先出隊(duì)列激涤。
4. 開始時會執(zhí)行 nextTick的隊(duì)列。
5. 程序退出時會執(zhí)行 nextTick的隊(duì)列判呕。
6. 可以看出nextTick隊(duì)列會在run_timer 和 run_pool之后執(zhí)行倦踢√钐В回到第三節(jié)說的nextTick的執(zhí)行時機(jī)癌淮，看出來該隊(duì)列確實(shí)會在 I/O 和 Timer 之前運(yùn)行。在文檔中特別說明如果你遞歸調(diào)用 nextTick 會阻 I/O 事件的調(diào)用就像調(diào)用了 loop鳍贾。依照上面的偽代碼梦抢，發(fā)現(xiàn)如果你遞歸調(diào)用nextTick,那nextTick回調(diào)對象先進(jìn)先出隊(duì)列就不會為空般贼，js 引擎就一直在執(zhí)行，影響之后的代碼執(zhí)行奥吩。
7. setImmediate 回調(diào)對象先進(jìn)先出隊(duì)列哼蛆，每一次 tick 就執(zhí)行一次。

可以從代碼中看出這四個時間函數(shù)執(zhí)行時機(jī)的區(qū)別霞赫，而setTimeout(fn,0)是在 _callbackHandlers的隊(duì)列中腮介，而setImmediate，還有 nextTick 都在不同的隊(duì)列中執(zhí)行端衰。

總體來說叠洗，nextTick執(zhí)行最快，而setTmmediate能保證每次tick都執(zhí)行旅东，而setTimeout是 libuv 的 Timber 保證灭抑，可能會有所延遲。

相關(guān)鏈接

1. 有人覺得得 process.nextTick 名不副實(shí)抵代，得改個名字腾节，變成 process.currentTick，沒有通過，理由是太多的代碼依賴這個函數(shù)了案腺，沒有辦法改名字庆冕，這里。
2. 如果你覺得 EventLoop 我說的不清楚劈榨，你還可以看看這篇博客：鏈接访递。
3. 如果你覺得 setImmediate 和 nextTick 說的不清楚，可以看這：鏈接同辣。
4. 這個也可以：鏈接拷姿。
5. Synchronously asynchronous。
6. designing-apis-for-asynchrony邑闺。

6 nodejs 回調(diào)和大數(shù)據(jù)與大計(jì)算量的解決方案

回調(diào)解決方案- promise

我相信你一但用了promise跌前，你就回不去以往的回調(diào)時代，promise 非常好使用陡舅，強(qiáng)列推薦使用抵乓。如果你還想了解promise怎么實(shí)現(xiàn)的，我給你透個底靶衍，必不可少setTimeout這個函數(shù)灾炭，可以參考 Q promise的設(shè)計(jì)文檔，還有一步步來手寫一個Promise也不錯颅眶。

大數(shù)據(jù)與大計(jì)算量的解決方案 - 分片數(shù)據(jù)或者分片計(jì)算

如果要寫一個處理數(shù)據(jù)量很大的任務(wù)蜈出，我想這個函數(shù)可以給你思路：

yielding processes

function chunk(array,process,context){
  setTimeout(function(){
    var item = array.shift();
    process.call(context,item);

    if (array.length >0){
      setTimeout(arguments.callee,100);
    }
  }，100)
}

函數(shù)節(jié)流

如果要寫一個計(jì)算量很大的任務(wù)涛酗，這個函數(shù)也可以給你思路：

var process = {
  timeout = null,

  // 實(shí)際進(jìn)行處理的方法
  performProcessing:function(){
    // 實(shí)際執(zhí)行的代碼
  },

  // 初始處理調(diào)用的方法
  process:function(){
    clearTimeout(this.timeoutId);

    var that = this;
    this.timeoutId = setTimeout(function(){
      that.performProcessing();
    },100)
  }
}

這兩個函數(shù)是從JavaScript高級程序設(shè)計(jì)第612-615頁摘出來的铡原，本質(zhì)是不要阻塞了Javascript的事件循環(huán)，把任務(wù)分片了商叹。

做服務(wù)器請求多了燕刻，使用 cluster 模塊

cluster 的方案就是多進(jìn)程方案。cluster 能包證每個請求被一個 nodejs 實(shí)例處理剖笙。這樣就能減少每個 nodejs 的處理的數(shù)據(jù)量卵洗。

7 總結(jié)

從現(xiàn)在來看 nodejs 架構(gòu)中對 js 引擎不支持線程調(diào)用是一個較大的遺憾，意味著在 nodejs 中你甚至不能做一個很大的計(jì)算量的事弥咪。不過又說回來过蹂，這也是一件好事。因?yàn)檫@樣做的聚至，使 javascript 變簡單酷勺，寫 js 不需要考慮鎖的事情，想想在 java 中集合類加鎖扳躬，你還要考慮同步脆诉，你還要考慮死鎖勋功，我覺得寫 js 的人都很幸福。

其他語言

同樣的問題也出現(xiàn)在 python库说、ruby 和 php 上。這些語言在當(dāng)前的主流版本（用c實(shí)現(xiàn)的版本）中都默認(rèn)一把大鎖 GIL片择，所有的代碼都是主線程中運(yùn)行潜的，代碼都是線程安全的，基本上第三方庫也利用這個現(xiàn)實(shí)字管。導(dǎo)致的事實(shí)是它們都沒有辦法很好的利用現(xiàn)在的多核計(jì)算機(jī)啰挪，多么悲劇的事情啊嘲叔！

不過好在亡呵，計(jì)算這事情，它們干不了硫戈，還有人來干锰什，就是老大哥 c、c++還有 java 了丁逝。你沒有看到分布式計(jì)算領(lǐng)域和大數(shù)據(jù)中核心計(jì)算被老大哥占領(lǐng)汁胆，其他是想占也占不了，不是不想占霜幼，是有心無力嫩码。

就目前的分析，我覺得這篇文章說的很對罪既。

未來發(fā)展

當(dāng)前 nodejs 的發(fā)展還是在填別的語言中經(jīng)歷過的坑铸题，因?yàn)?nodejs 發(fā)展畢竟才七年的時間(2009年建立)，流行也才是近幾年的事情琢感。不過 nodejs 的進(jìn)步很快（后發(fā)優(yōu)勢）丢间，做一個輕量級的網(wǎng)頁應(yīng)用已經(jīng)是繼 python、ruby猩谊、php之后的另一個選擇了千劈，可喜可賀。

但是如果還要更近一步發(fā)展牌捷，那就必須解決計(jì)算這個問題墙牌。當(dāng)前 javascript 對于這個問題的解決基本還是按著沿用 python、ruby 和 php 走過的路線走下去暗甥，采用單線程協(xié)程的方案喜滨，也就是 yield、async/wait 方案撤防。在這之后虽风，也基本上會采用多線程方案 worker 。從這樣的發(fā)展來看，未來的 nodejs 與 python辜膝、ruby无牵、php 是并駕齊驅(qū)的解決方案，不見得比 python茎毁、ruby 和 php 更好，它們都差不多忱辅，唯一不同的是我們又多了一種選擇而已七蜘。

想到程序員在論壇上問：新手學(xué)習(xí)網(wǎng)站開發(fā)，javacript墙懂、python橡卤、ruby和 php 哪個好？我想說如果有師博他說什么好就學(xué)什么损搬，如果沒有師博那就學(xué) javascript 吧碧库，因?yàn)槟悴挥迷偃W(xué)一門后端的語言了。