node.js

Posted 2020-07-08 倒立的蜗牛

javascript单线程的误解

　　在我接触JavaScript（无论浏览器还是NodeJS）的时间里，总是遇到有朋友有多线程的需求。而在NodeJS方面，有朋友甚至直接说到，NodeJS是单线程的，无法很好的利用多核CPU。

　　诚然，在前端的浏览器中，由于前端的JavaScript与UI占据同一线程，执行JavaScript确实为UI响应造成了一定程度上的麻烦。但是，除非用到超大的循环语句执行JavaScript，或是用阻塞式的Ajax，或是太过频繁的定时器执行外，JavaScript并没有给前端应用带来明显的问题，所以也很少有朋友抱怨JavaScript是单线程而不能很好利用多核CPU的问题，因为没有因此出现性能瓶颈。

　　但是，我们可以用Ajax和Web Worker回应这个误解。当Ajax请求发送之后，除非是同步请求，否则其余的JavaScript代码会很快被执行到。在Ajax发送完成，直到接收到响应的这段时间里，这个网络请求并不会阻塞JavaScript的执行，而网络请求已经发生，这是必然的事。那么，答案就很明显了，JavaScript确实是执行在单线程上的，但是，整个Web应用执行的宿主（浏览器）并非以单线程的方式在执行。而Web Worker的诞生，就是直接为了解决JavaScript与UI占用同一线程造成的UI响应问题的，它能新开一条线程去执行JavaScript。

　　同理，NodeJS中的JavaScript也确实是在单线程上执行，但是作为宿主的NodeJS，它本身并非是单线程的，NodeJS在I/O方面又动用到一小部分额外的线程协助实现异步。程序员没有机会直接创建线程，这也是有的同学想当然的认为NodeJS的单线程无法很好的利用多核CPU的原因，他们甚至会说，难以想象由多人一起协作开发一个单线程的程序。

　　NodeJS封装了内部的异步实现后，导致程序员无法直接操作线程，也就造成所有的业务逻辑运算都会丢到JavaScript的执行线程上，这也就意味着，在高并发请求的时候，I/O的问题是很好的解决了，但是所有的业务逻辑运算积少成多地都运行在JavaScript线程上，形成了一条拥挤的JavaScript运算线程。NodeJS的弱点在这个时候会暴露出来，单线程执行运算形成的瓶颈，拖慢了I/O的效率。这大概可以算得上是密集运算情况下无法很好利用多核CPU的缺点。这条拥挤的JavaScript线程，给I/O形成了性能上限。

　　但是，事情又并非绝对的。回到前端浏览器中，为了解决线程拥挤的情况，Web Worker应运而生。而同样，Node也提供了child_process.fork来创建Node的子进程。在一个Node进程就能很好的解决密集I/O的情况下，fork出来的其余Node子进程可以当作常驻服务来解决运算阻塞的问题（将运算分发到多个Node子进程中上去，与Apache创建多个子进程类似）。当然child_process/Web Worker的机制永远只能解决单台机器的问题，大的Web应用是不可能一台服务器就能完成所有的请求服务的。拜NodeJS在I/O上的优势，跨OS的多Node之间通信的是不算什么问题的。解决NodeJS的运算密集问题的答案其实也是非常简单的，就是将运算分发到多个CPU上。请参考文章后的multi-node的性能测试，可以看到在多Node进程的情景下，响应请求的速度被大幅度提高。

　　在文章的写作中，Node最新发布的0.5.10版本新增了cluster启动参数。参数的使用方式如下：

node cluster server.js

　　启动Node的时候，在附加了该参数的情况下，Node会检测机器上的CPU数量来决定启动多少进程实例，这些实例会自动共享相同的侦听端口。详情请参阅官方文档。在之前的解决运算密集问题中，工程师需要multi-node这样的库或者其他方案去手动分发请求，在cluster参数的支持下，可以释放掉工程师在解决此问题上的大部分精力。

　　事件式编程

　　延续上一节的讨论。我们知道NodeJS/JavaScript具有异步的特性，从NodeJS的API设计中可以看出来，任何涉及I/O的操作，几乎都被设计成事件回调的形式，且大多数的类都继承自EventEmitter。这么做的好处有两个，一个是充分利用无阻塞I/O的特性，提高性能；另一个好处则是封装了底层的线程细节，通过事件消息留出业务的关注点给编程者，从而不用关注多线程编程里牵扯到的诸多技术细节。

　　从现实的角度而言，事件式编程也更贴合现实。举一个业务场景为例：家庭主妇在家中准备中餐，她需要完成两道菜，一道拌黄瓜，一道西红柿蛋汤。以php为例，家庭主妇会先做完拌黄瓜，接着完成西红柿蛋汤，是以顺序/串行执行的。但是现在突然出了一点意外，凉拌黄瓜需要的酱油用光了，需要她儿子出门帮她买酱油回来。那么PHP家庭主妇在叫她儿子出门打酱油的这段时间都是属于等待状态的，直到酱油买回来，才会继续下一道菜的制作。那么，在NodeJS的家庭主妇又会是怎样一个场景呢，很明显，在等待儿子打酱油回来的时间里，她可以暂停凉拌黄瓜的制作，而直接进行西红柿蛋汤的过程，儿子打完酱油回来，继续完成她的凉拌黄瓜。没有浪费掉等待的时间。实例伪代码如下：

var mother = new People();
var child = new People();
child.buySoy(function (soy) {
    mother.cook("cucumber", soy);
});
mother.cook("tomato");

　　接下来，将上面这段代码转换为基于事件/任务异步模式的代码：

var proxy = new EventProxy();
var mother = new People();
proxy.bind("cook_cucumber", function (soy) {
    mother.cook("cucumber", soy);
});
proxy.bind("cook_tomato", function () {
    mother.cook("tomato");
});
var child = new People();
child.buySoy(function (soy) {
    proxy.trigger("cucumber", soy);
});
proxy.trigger("tomato");

　　代码量多了很多，但是业务逻辑点都是很清楚的：通过bind方法预定义了cook_cucumber和cook_tomato两个任务。这里的bind方法可以认为是await的消息式实现，需要第一个参数来标识该任务的名字，流程在执行的过程中产生的消息会触发这些任务执行。可以看出，事件式编程中，用户只需要关注它所需要的几个业务事件点就可以，中间的等待都由底层为你调配好了。这里的代码只是举例事件/任务异步模式而用，在简单的场景中，第一段代码即可。做NodeJS的编程，会更感觉是在做现实的业务场景设计和任务调度，没有顺序保证，程序结构更像是一个状态机。

　　个人觉得在事件式编程中，程序员需要转换一下思维，才能接受和发挥好这种异步/无阻塞的优势。同样，这种事件式编程带来的一个问题就在于业务逻辑是松散和碎片式的。这对习惯了顺序式，Promise式编程的同学而言，接受它是比较痛苦的事情，而且这种散布的业务逻辑对于非一开始就清楚设计的人而言，阅读存在相当大的问题。

　　我提到事件式编程更贴近于现实生活，是更自然的，所以这种编程风格也导致你的代码跟你的生活一样，是一件复杂的事情。幸运的是，自己的生活要自己去面对，对于一个项目而言，并不需要每个人都去设计整个大业务逻辑，对于架构师而言，业务逻辑是明了的，借助事件式编程带来的业务逻辑松耦合的好处，在设定大框架后，将业务逻辑划分为适当的粒度，对每一个实现业务点的程序员而言，并没有这个痛苦存在。二八原则在这个地方非常有效。

　　深度嵌套回调问题

　　JavaScript/NodeJS对单个异步事件的处理十分容易，但容易出现问题出现的地方是“多个异步事件之间的结果协作”。以NodeJS服务端渲染页面为例，渲染需要数据，模板，本地化资源文件，这三个部分都是要通过异步来获取的，原生代码的写法会导致嵌套，因为只有这样才能保证渲染的时候数据，模板，本地化资源都已经获取到了。但问题是，这三个步骤之间实际是无耦合的，却因为原生代码没有promise的机制，将可以并行执行（充分利用无阻塞I/O）的步骤，变成串行执行的过程，直接降低了性能。代码如下：

var render = function (template, data) {
    _.template(template, data);
};
$.get("template", function (template) { // something 
    $.get("data", function (data) { // something 
        $.get("l10n", function (l10n) { // something 
            render(template, data);
        });
    });
});

　　面对这样的代码，许多工程师都表示不爽。这个弱点也形成了对NodeJS推广的一个不大不小的障碍。对于追求性能和维护性的同学，肯定不满足于以上的做法。本人对于JavaScript的事件和回调都略有偏爱，并且认为事件，回调，并行，松耦合是可以达成一致的。以下一段代码是用EventProxy实现的：

var proxy = new EventProxy();
var render = function (template, data, l10n) {
    _.template(template, data);
};
proxy.assign("template", "data", "l10n", render);
$.get("template", function (template) { // something 
    proxy.trigger("template", template);
});
$.get("data", function (data) { // something 
    proxy.trigger("data", data);
});
$.get("l10n", function (l10n) { // something 
    proxy.trigger("l10n", l10n);
});

　　代码量看起来比原生实现略多，但是从逻辑而言十分清晰。模板、数据、本地化资源并行获取，性能上的提高不言而喻，assign方法充分利用了事件机制来保证最终结果的正确性。在事件，回调，并行，松耦合几个点上都达到期望的要求。

　　关于更多EventProxy的细节可参考其官方页面。

　　深度回调问题的延伸

　　EventProxy解决深度回调的方式完全基于事件机制，这需要建立在事件式编程的认同上，那么必然也存在对事件式编程不认同的同学，而且习惯顺序式，promise式，向其推广bind/trigger模式实在难以被他们接受。Jscex和Streamline.js是目前比较成熟的同步式编程的解决方案。可以通过同步式的思维来进行编程，最终执行的代码是通过编译后的目标代码，以此通过工具来协助用户转变思维。

　　结语

　　对于优秀的东西，我们不能因为其表面的瑕疵而弃之不用，总会有折衷的方案来满足需求。NodeJS在实时性方面的功效有目共睹，即便会有一些明显的缺点，但是随着一些解决方案的出现，相信没有什么可以挡住其前进的脚步。

　　附录（多核环境下的并发测试）

　　服务器环境：

• 网络环境：内网
• 压力测试服务器：
• 服务器系统：Linux 2.6.18
• 服务器配置：Intel(R) Xeon(TM) CPU 3.40GHz 4 CPUS
• 内存：6GB
• NodeJS版本: v0.4.12

　　客户端测试环境：

• 发包工具：apache 2.2.19自带的ab测试工具
• 服务器系统：Linux 2.6.18
• 服务器配置：Pentium(R) Dual-Core CPU E5800 @ 3.20GHz 2CPUS
• 内存：1GB

　　单线程Node代码：

var http = require(\'http\');
var server = http.createServer(function (request, response) {
    var j = 0;
    for (var i = 0; i & lt; 100000; i++) {
        j += 2 / 3;
    }
    response.end(j + \'\');
});
server.listen(8881);
console.log(\'Server running at http://10.1.10.150:8881/\');

　　四进程Node代码：

var http = require(\'http\');
var server = http.createServer(function (request, response) {
    var j = 0;
    for (var i = 0; i & lt; 100000; i++) {
        j += 2 / 3;
    }
    response.end(j + \'\');
});
var nodes = require("./lib/multi-node").listen({
    port: 8883,
    nodes: 4
}, server);
console.log(\'Server running at http://10.1.10.150:8883/\');

　　这里简单介绍一下multi-node这个插件，这个插件就是利用require("child_process").spawn()方法来创建多个子线程。由于浮点计算和字符串拼接都是比较耗CPU的运算，所以这里我们循环10W次，每次对j加上0.66666。最后比较一下，开多子进程node到底比单进程node在CPU密集运算上快多少。

　　以下是测试结果：

Comm.	500/30	500/30	1000/30	1000/30	3000/30	3000/30
Type	单进程	多子进程	单进程	多子进程	单进程	多子进程
RPS	2595	5597	2540	5509	2571	5560
TPQ	0.38	0.18	0.39	0.19	0.39	0.18
80% REQ	72	65	102	85	157	142
Fail	0	0	0	0	0	0

　　说明：

• 单进程：只开一个node.js进程。
• 多子进程：开一个node.js进程，并且开3个它的子进程。
• 3000/30：代表命令 ./ab -c 3000 -t 30 http://10.1.10.150:8888/。3000个客户端，最多发30秒，最多发5W个请求。
• RPS：代表每秒处理请求数，并发的主要指标。
• TPQ：每个请求处理的时间，单位毫秒。
• Fail：代表平均处理失败请求个数。
• 80% Req：代表80%的请求在多少毫秒内返回。

　　从结果及图1～3上看：开多个子进程可以显著缓解node.js的CPU利用率不足的情况，提高node.js的CPU密集计算能力。

　　图1：单个进程的node.js在压力测试下的情况，无法充分利用4核CPU的服务器性能。

　　图2：多进程node，可以充分利用4核CPU榨干服务器的性能。

　　图3：多子进程截图，可以看到一共跑了4个进程。