node js异步IO机制

Posted 2020-09-25

同步和异步的概念描述的是用户线程与内核的交互方式：同步是指用户线程发起IO请求后需要等待或者轮询内核IO操作完成后才能继续执行；而异步是指用户线程发起IO请求后仍继续执行，当内核IO操作完成后会通知用户线程，或者调用用户线程注册的回调函数。

阻塞和非阻塞的概念描述的是用户线程调用内核IO操作的方式：阻塞是指IO操作需要彻底完成后才返回到用户空间；而非阻塞是指IO操作被调用后立即返回给用户一个状态值，无需等到IO操作彻底完成。

 

node js的异步I/O是它的一个重要功能，为了讲清楚这个机制，先说一下操作系统内核对于I/O的处理方式：阻塞I/O和非阻塞I/O

阻塞I/O的特点是调用之后一定要等到这个I/O的所有动作都完成后，调用才结束返回。在这期间，CPU的其它所有运算都要停滞，因此阻塞I/O使CPU等待I/O，浪费了CPU资源。

非阻塞I/O的特点就是调用之后，立即结束返回，这样，CPU就不会因为要等待I/O结束而浪费计算资源。但是，由于非阻塞I/O会立即返回，返回时完整的I/O过程并没有完成，所以返回的不是期望的I/O数据，而仅仅是当前调用的状态。所以，为了获取期望的数据，系统就要通过轮询去确定这个I/O是否完成。

从以上的描述可以看出，阻塞I/O需要系统等待I/O完成，非阻塞I/O则需要系统去轮询这个I/O是否完成，在这个层面node js的异步I/O更接近于非阻塞I/O。确切地说，node js是在非阻塞I/O的基础上，用更高效的方法代替轮询这个机制，从而达到了它称之为的异步I/O的功能。下面介绍几种不同的轮询方式：

直接轮询：它是最原始、效率最低的一种轮询方式，它通过重复调用来检查I/O的完成状态。
 

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while true { 　　for i in stream[]: { 　　　　if i has data 　　　　　　read until unavailable 　　} } 爱创课堂--专业前端技术培训                           年薪30万不是梦

select：比较直接轮询，select使用了一个代理来检测多个I/O的状态，如果I/O还没完成，就会阻塞掉这个处理I/O的线程，使得CPU通过调度处理别的线程，当有I/O完成时，再唤醒这个线程，让程序轮询一遍所有的I/O流，找到完成的I/O并进行下一步的处理。

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while true { 　　select(streams[]) 　　for i in streams[] { 　　　　if i has data 　　　　　　read until unavailable 　　} }

epoll：相比于select，epoll能把那些I/O完成了哪些事件也通知给我们，因此程序就不需要再轮询一遍所有的I/O流了。

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epollfd = epoll_create() while true { 　　active_stream[] = epoll_wait(epollfd) 　　for i in active_stream[] { 　　　　read or write till unavailable 　　} }

node js异步I/O：

异步I/O理想的状态就是应用程序发起非阻塞调用，无序通过遍历或者事件唤醒等方式轮询，直接处理下一个任务，只需在I/O完成后通过信号或者回调函数将数据传递给应用程序即可。为了实现这个功能，node采用了线程池和回调函数这两个技术。

首先，node里有一个观察者，和一个采用生产者/消费者的模型的事件循环，各种I/O请求作为生产者被传递到观察者那里，然后事件循环从观察者出取出事件，进行下一步处理。

事件循环里取出的事件，必须伴随着事件完成的回调函数
 

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fs.open=(path,flags,mode,callback){ ... callback() }

在取出事件之后，node立即返回，执行当前任务的后续任务。而这个I/O时间和它的回调函数一起，被打包送入系统的线程池，然后后续的I/O将由线程池中的线程处理。

 

最后，node的观察者会提取线程池中完成的I/O获得的数据，并调用它返回的回调函数，来执行整个I/O的回调。至此，node js的异步I/O结束。其中，我认为node js异步I/O最大的特点就是回调函数是由操作系统触发的，而不是由程序触发的。