极简 Node.js 入门 - Node.js 是什么、性能有优势？

极简 Node.js 入门系列教程：https://www.yuque.com/sunluyong/node

本文更佳阅读体验：https://www.yuque.com/sunluyong/node/what-is-node

定义

Node.js is a JavaScript runtime built on Chrome's V8 JavaScript engine.

现在 Node.js 官网的定义就这么简单，但也可以看出几个最重要的特征

Node.js 不是一门语言，是一个运行时，和浏览器更像，只不过运行在服务端
这个运行时的方言是 JavaScript（不包含 BOM、DOM API，增加了 Stream、网络等 API）
Node.js 是靠 Chrome V8 引擎运行 JavaScript

对应到 Java 我们可以理解 Node.js 是 JDK，装上就能在服务端跑 JavaScript 代码了。

Chrome 和 Node.js 同样是 JavaScript 运行时，都使用了 V8 引擎，主要区别在于 V8 只实现了 ECMAScript 的数据类型、对象和方法，Chrome 运行时提供了 Window、DOM、BOM，而 Node.js 运行时提供了global、 Buffer、net 等模块

下面内容需要一些计算机基础知识，但看不懂并不影响 Node.js 的学习

事件驱动 & 非阻塞 I/O 是什么

在 Node.js 才诞生的时候大家总是充满了好奇，早期官网上的介绍要更多一些，主要说了 Node 最核心的两个特性：事件驱动、非阻塞 I/O

Node.js is a JavaScript runtime built on Chrome's V8 JavaScript engine. Node.js uses an event-driven, non-blocking I/O model that makes it lightweight and efficient. Node.js' package ecosystem, npm, is the largest ecosystem of open source libraries in the world.

举个例子理解 Node.js 和之前大部分 web 应用编程区别，当读取数据库的时候会写出这样的代码

var result = db.query('select * from...');

I/O 是一个相对耗时较长的工作（这是后面讨论的前提），I/O 任务主要由 CPU 分发给 DMA 执行，等待数据库查询结果的时候进程在做什么？大部分时候就是单纯在等着而已

不同硬件设备 I/O 操作所花费 CPU cycles

Action              Cost (CPU cycles)

L1 Cache*                         3

L2 Cache*                        14

RAM*                            250

Disk                     41,000,000

Network                 240,000,000

这明显是在浪费 CPU，所以有了多线程的性能优化手段，但学习操作系统的时候我们就知道

操作系统创建线程和切换多和线程上下文需要一定的开销
因为多线程带来的执行堆栈是要占用内存的
多线程变成面对的死锁、状态同步等问题会增加使用的复杂性

上面的代码要么阻塞整个进程，要么使用了多线程，如果进程不等待 I/O 结果，直接处理后续任务就是非阻塞 I/O，这样可以不用浪费 CPU

db.query('select * from...', function (result) {

	// 消费 result

});

在 Promise、async|await 没有的年代，回调是异步的通用处理方式

进程如何获知异步 I/O 调用完成，触发回调函数呢？这就要靠 Event Loop 实现，也就是上面提到的事件驱动

这个图看起来非常复杂，有几个要点可以帮助理解

在 Node.js 中所有操作称之为事件，客户端的请求也是事件，所有事件维护在图中最左侧的事件队列中
Node.js 主线程也就是图中间的循环就是 Event Loop，主要作用是轮训事件队列中是否存在事件
1. 有非阻塞事件，按照先进先出原则依次调用处理
2. 有阻塞事件，交给图中最右侧的 C++ 线程池处理，线程池处理完成后把结果通过 Event Loop 返回给事件队列
3. 进行下一次循环
一个请求所有事件都被处理，把响应结果发给客户端，完成一次请求

这样一个请求 - 响应模型就完成了，如果在 Event Loop 中包含同步的 CPU 密集操作，就会阻塞主线程

Node.js 性能真的高吗？

要回答这个问题首先需要了解几个基本常识

CPU 运算远远快于 I/O 操作
Web 是典型的 I/O 密集场景
JavaScript 是单线程，但 JavaScript 的 runtime Node.js 并不是，负责 Event Loop 的 libuv 用 C 和 C++ 编写

很多语言是依赖的多线程解决高并发，一个线程处理一条用户请求，处理完成了释放线程，在阻塞 I/O 模型下， I/O 期间该用户线程所占用的 CPU 资源（虽然十分微量，大部分交给了 DMA）什么都不做，等待 I/O，然后响应用户，而且开启多个进程/线程 CPU 切换 Context 的时间也十分可观

就像饭店的服务员只负责点菜，如果给每个厨师都配一个服务员，服务员把客人菜单给大厨后就玩手机等着一样，你是老板你也生气，况且不同于饭店大厨工资高于服务员，在计算机世界，CPU 资源比 I/O 宝贵的多

说 Node.js 在高并发、I/O 密集场景性能高，也就是 Web 场景性能高主要也是解决这个问题，没必要一个厨师配一个服务员，整个饭店说不定一个服务员就够了，剩下的钱可以随便做其它事情

用户请求来了， CPU 的部分做完不用等待 I/O，交给底层完成，然后可以接着处理下一个请求了，快就快在

非阻塞 I/O
Web 场景 I/O 密集
没多线程 Context 切换开销，多出来的开销是维护 EventLoop

其它场景 NodeJS 性能确实不高，甚至非常低下，感兴趣可以看一下 Apache（多进程）和 Nginx（事件驱动）对比，现在大型 web 应用普遍是 Nginx 在最前面做负载均衡服务器、静态资源服务器，Apache 在下一层做实际 Web Server，响应动态请求

因此 Node.js 在 I/O 密集的 Web 场景相对于使用多进程模型语言有性能优势，这个优势不是来源于语言，而是操作系统实现，Java 按照这种模型实现性能一样很高

得益于 V8 的优化和 C/C++ 拓展，Node.js 执行 CPU 密集任务性能并不差，但如果长时间进行 CPU 运算会阻塞后续 I/O 任务发起，用 Java 实现非阻塞模型也会遇到一样问题

参考

Node.js 作者 Ryan Dahl 介绍 Node.jsRyan Dahl 2009 JSconf - Node.js.pdf
NGINX 如何实现高性能和可扩展性
深入理解 JavaScript Event Loop