Node.js 原理简介

Node.js 的官方文档中有一段对 Node.js 的简介，如下。

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.

大意就是说 Node.js 是基于 V8 的 JavaScript 运行时，事件驱动、非阻塞，因此轻量、高效。

寥寥数语，并没有说清楚 Node.js 到底是什么。参考了一些 Node.js 的官方文章以及社区里的分析，整理如下。

基础架构

要想深入理解 Node.js，我们需要把 Node.js 进行必要的拆解，了解每个组成部分的作用，它们之间如何交互，最终构成 Node.js 这个强大的运行时环境。

上图是 Node.js 的内部结构图。我们可以看到，自底向上主要可以分成三层：最底层是 Node.js 依赖的各种库，有 V8、libuv 等；中间层是各种 Binding，也就是胶水代码；最上层是应用代码，可使用 Node.js 的各种 API。

• V8
  
  Google 开源的高性能 JavaScript 引擎，它将 JavaScript 代码转换成机器码，然后执行，因此速度非常快。V8 以 C++ 语言开发，Google 的 Chrome 浏览器正是使用的 V8 引擎。

• libuv
  
  libuv 以 C 语言开发，内部管理着一个线程池。在此基础之上，提供事件循环（Event Loop）、异步网络 I/O、文件系统 I/O等能力。

• 其他底层依赖库
  
  如 c-ares、crypto (OpenSSL)、http-parser 以及 zlib。这些依赖提供了对系统底层功能的访问，包括网络、压缩、加密等。

Node.js 底层的依赖库，有的以 C 语言开发，有的以 C++ 语言开发，如何让应用代码（JavaScript）能够与这些底层库相互调用呢？这就需要中间层的 Binding 来完成。Binding 是一些胶水代码，能够把不同语言绑定在一起使其能够互相沟通。在 Node.js 中，binding 所做的就是把 Node.js 那些用 C/C++ 写的库接口暴露给 JS 环境。

中间层中，除了 Binding，还有 Addon。Binding 仅桥接 Node.js 核心库的一些依赖，如果你想在应用程序中包含其他第三方或者你自己的 C/C++ 库的话，需要自己完成这部分胶水代码。你写的这部分胶水代码就称为 Addon。本质上都是完成桥接的作用，使得应用与底层库能够互通有无。

应用层的代码，就不必多言了，我们开发的应用、npm 安装的包都运行在这里。

事件循环 (event loop)

刚接触 Node.js 的时候，就知道 Node.js 有一个事件循环，类似于 while(true)，但是不知道每次循环什么时候开始，什么时候结束，在每次循环中，Node.js 是如何处理同步与异步代码的。

要说事件循环，就不得不先说明一下 Node.js 的工作流程。下图可以简要说明。

一个 Node.js 应用启动时，V8 引擎会执行你写的应用代码，保持一份观察者（注册在事件上的回调函数）列表。当事件发生时，它的回调函数会被加进一个事件队列。只要这个队列还有等待执行的回调函数，事件循环就会持续把回调函数从队列中拿出并执行。

在回调函数执行过程中，所有的 I/O 请求都会转发给工作线程处理。libuv 维持着一个线程池，包含四个工作线程（默认值，可配置）。文件系统 I/O 请求和 DNS 相关请求都会放进这个线程池处理；其他的请求，如网络、平台特性相关的请求会分发给相应的系统处理单元进行处理。

安排给线程池的这些 I/O 操作由 Node.js 的底层库执行，完成之后触发相应事件，对应的事件回调函数会被放入事件队列，等待执行后续操作。这就是一个事件在 Node.js 中执行的整个生命周期。

前面说了，我们只知道 Node.js 有事件循环，但是不知道每次循环何时开始、何时结束。下面就简要说明一下每次循环的处理过程，详细内容请参考Node.js 官方说明。

一次事件循环，大概可以分为如下几个阶段：

图中每一个方块，在事件循环中被称为一个阶段(phase)。

每个阶段都有自己独有的一个用于执行回调函数的 FIFO 队列。当事件循环进入一个指定阶段时，会执行队列中的回调函数，当队列中已经被清空或者执行的回调函数个数达到系统最大限制时，事件循环会进入下一个阶段。

上图中总共有6个阶段：

• timers: 该阶段执行由 setTimeout() 和 setInterval() 设置的回调函数。
• I/O callbacks: 执行除了close 回调、timers 以及
  
  setImmediate() 设置的回调以外的几乎所有的回调。
• idle,prepare: 仅供内部使用。
• poll: 检索新的 I/O 事件；在适当的时候 Node.js 会阻塞等待。
• check: 执行 setImmediate() 设置的回调。
• close callbacks: 执行关闭回调。比如： socket.on('close', ...).

这里有个令人困惑的地方，I/O callbacks 与 poll 这两个阶段有什么区别？ 既然 I/O callbacks 中已经把回调都执行完了，还要 poll 做什么？

查阅了libuv 的文档后发现，在 libuv 的 event loop 中，I/O callbacks 阶段会执行 Pending callbacks 。绝大多数情况下，在 poll 阶段，所有的 I/O 回调都已经被执行。但是，在某些情况下，有一些回调会被延迟到下一次循环执行。也就是说，在 I/O callbacks 阶段执行的回调函数，是上一次事件循环中被延迟执行的回调函数。

还需要提到的一点是 process.nextTick()。process.nextTick() 产生的回调函数保存在一个叫做 nextTickQueue 的队列中，不在上面任何一个阶段的队列里面。当当前操作完成后，nextTickQueue 中的回调函数会立即被执行，不管事件循环处在哪个阶段。也就是说，在 nextTickQueue 中的回调函数被执行完毕之前，事件循环不会往前推进。

测试与实践

如下代码中使用了 setTimeout(), setInterval(), setImmediate(), promise, process.nextTick()，可借助于输出结果，理解事件循环。

'use strict';

const fs = require('fs');

console.log('script start');

const interval = setInterval(() => {
  console.log('setInterval')
}, 500);

setTimeout(() => {
  console.log('setTimeout 1');
  Promise.resolve().then(() => {
    console.log('promise 3');
  }).then(() => {
    console.log('promise 4');
    process.nextTick(() => {
      console.log('nextTick 1');
    });
  }).then(() => {
    setTimeout(() => {
      console.log('setTimeout 2');
      Promise.resolve().then(() => {
        console.log('promise 5');
      }).then(() => {
        console.log('promise 6');
        process.nextTick(() => {
          console.log('nextTick 2');
        });
      }).then(() => {
        clearInterval(interval);
      });
    }, 0);
  });
}, 1000);

Promise.resolve().then(() => {
  console.log('promise 1');
}).then(() => {
  console.log('promise 2');
});

setImmediate(() => {
  console.log('setImmediate 1');
});

console.log('script done');

执行结果为：

script start
script done
promise 1
promise 2
setImmediate 1
setInterval
setTimeout 1
promise 3
promise 4
nextTick 1
setInterval
setTimeout 2
promise 5
promise 6
nextTick 2