node.js----异步式I/O与事件式编程

1.进程与线程，并发与并行，线程安全

进程与线程：

提到“线程”总免不了要和“进程”做比较，而我认为在Java并发编程中混淆的不是“线程”和“进程”的区别，而是“任务（Task）”。进程是表示资源分配的基本单位。而线程则是进程中执行运算的最小单位，即执行处理机调度的基本单位。关于“线程”和“进程”的区别耳熟能详，说来说去就一句话：通常来讲一个程序有一个进程，而一个进程可以有多个线程。

并发与并行：

提到了并发，那又不得不和并行作比较。并发是指在一段时间内同时做多个事情，比如在1点-2点洗碗、洗衣服等。而并行是指在同一时刻做多个事情，比如1点我左手画圆右手画方。两个很重要的区别就是“一段时间”和“同一时刻”.在操作系统中就是:

1)并发就是在单核处理中同时处理多个任务.(这里的同时指的是逻辑上的同时)

2)并行就是在多核处理器中同时处理多个任务.(这里的同时指的就是物理上的同时)

初学编程基本上都是单线程结构化编程，或者说是根本就接触不到线程这个概念，反正程序照着自己实现的逻辑，程序一步一步按照我们的逻辑去实现并且得到希望输出的结果。但随着编程能力的提高，以及应用场景的复杂多变，我们不得不要面临多线程并发编程。而初学多线程并发编程时，常常出现一些预料之外的结果，这就是涉及到“线程安全”问题。

线程安全：

这是在多线程并发编程中需要引起足够重视的问题，如果你的线程不足够“安全”，程序就可能出现难以预料，以及难以复现的结果。《Java并发编程实战》提到对线程安全不好做一个定义，我的简单理解就是：线程安全就是指程序按照你的代码逻辑执行，并始终输出预定的结果。书中的给的定义：当多个线程访问某个类时，这个类始终都能表现出正确的行为，那么就称这个类是线程安全的。具体有关线程安全的问题，例如原子性、可见性等等不在这里做详细阐述，适当的时候会进行详细介绍，简单说一点，想要这个线程安全，得在访问的时候给它上个锁，不让其他线程访问，当然这种说法不严谨，不过可以暂时这么理解。

2.阻塞与多线程、非阻塞与单线程

什么是阻塞（block）呢？线程在执行中如果遇到磁盘读写或网络通信（统称为 I/O 操作），通常要耗费较长的时间，这时操作系统会剥夺这个线程的 CPU 控制权，使其暂停执行，同时将资源让给其他的工作线程，这种线程调度方式称为阻塞。当 I/O 操作完毕时，操作系统将这个线程的阻塞状态解除，恢复其对CPU的控制权，令其继续执行。这种 I/O 模式就是通常的同步式I/O（Synchronous I/O）或阻塞式 I/O （Blocking I/O）。

相应地，异步式 I/O（Asynchronous I/O）或非阻塞式 I/O（Non-blocking I/O）则针对所有 I/O操作不采用阻塞的策略。当线程遇到 I/O 操作时，不会以阻塞的方式等待 I/O 操作的完成或数据的返回，而只是将 I/O请求发送给操作系统，继续执行下一条语句。当操作系统完成 I/O操作时，以事件的形式通知执行 I/O操作的线程，线程会在特定时候处理这个事件。为了处理异步 I/O，线程必须有事件循环，不断地检查有没有未处理的事件，依次予以处理。

阻塞模式下，一个线程只能处理一项任务，要想提高吞吐量必须通过多线程。而非阻塞模式下，一个线程永远在执行计算操作，这个线程所使用的 CPU 核心利用率永远是 100%， I/O 以事件的方式通知。在阻塞模式下，多线程往往能提高系统吞吐量，因为一个线程阻塞时还有其他线程在工作，多线程可以让 CPU 资源不被阻塞中的线程浪费。而在非阻塞模式下，线程不会被 I/O 阻塞，永远在利用 CPU。多线程带来的好处仅仅是在多核 CPU 的情况下利用更多的核，而Node.js的单线程也能带来同样的好处。这就是为什么 Node.js使用了单线程、非阻塞的事件编程模式。

下图分别是多线程同步式 I/O 与单线程异步式 I/O 的示例。假设我们有一项工作，可以分为两个计算部分和一个 I/O 部分，I/O 部分占的时间比计算多得多（通常都是这样）。如果我们使用阻塞 I/O，那么要想获得高并发就必须开启多个线程。而使用异步式 I/O 时，单线程即可胜任。

图多线程同步式 I/O

图单线程异步式 I/O

单线程事件驱动的异步式 I/O比传统的多线程阻塞式 I/O究竟好在哪里呢？简而言之，异步式 I/O 就是少了多线程的开销。对操作系统来说，创建一个线程的代价是十分昂贵的，需要给它分配内存、列入调度，同时在线程切换的时候还要执行内存换页， CPU 的缓存被清空，切换回来的时候还要重新从内存中读取信息，破坏了数据的局部性。

当然，异步式编程的缺点在于不符合人们一般的程序设计思维，容易让控制流变得晦涩难懂，给编码和调试都带来不小的困难。习惯传统编程模式的开发者在刚刚接触到大规模的异步式应用时往往会无所适从，但慢慢习惯以后会好很多。尽管如此，异步式编程还是较为困难，不过可喜的是现在已经有了不少专门解决异步式编程问题的库（如async）。

表同步式 I/O 和异步式 I/O 的特点

同步式 I/O（阻塞式）	异步式 I/O（非阻塞式）
利用多线程提供吞吐量	单线程即可实现高吞吐量
通过事件片分割和线程调度利用多核 CPU	通过功能划分利用多核 CPU
需要由操作系统调度多线程使用多核 CPU	可以将单进程绑定到单核 CPU
难以充分利用 CPU 资源	可以充分利用 CPU 资源
内存轨迹大，数据局部性弱	内存轨迹小，数据局部性强
符合线性的编程思维	不符合传统编程思维

3.回调函数

Node.js 异步编程的直接体现就是回调。异步编程依托于回调来实现，但不能说使用了回调后程序就异步化了。回调函数在完成任务后就会被调用，Node 使用了大量的回调函数，Node 所有 API 都支持回调函数。

例如，我们可以一边读取文件，一边执行其他命令，在文件读取完成后，我们将文件内容作为回调函数的参数返回。这样在执行代码时就没有阻塞或等待文件 I/O 操作。这就大大提高了 Node.js 的性能，可以处理大量的并发请求。

4.事件循环

Node.js 是单进程单线程应用程序，但是通过事件和回调支持并发，所以性能非常高。

Node.js 的每一个 API 都是异步的，并作为一个独立线程运行，使用异步函数调用，并处理并发。

Node.js 基本上所有的事件机制都是用设计模式中观察者模式实现。

Node.js 单线程类似进入一个while(true)的事件循环，直到没有事件观察者退出，每个异步事件都生成一个事件观察者，如果有事件发生就调用该回调函数.

事件驱动程序

Node.js 使用事件驱动模型，当web server接收到请求，就把它关闭然后进行处理，然后去服务下一个web请求。当这个请求完成，它被放回处理队列，当到达队列开头，这个结果被返回给用户。

这个模型非常高效可扩展性非常强，因为webserver一直接受请求而不等待任何读写操作。（这也被称之为非阻塞式IO或者事件驱动IO）

在事件驱动模型中，会生成一个主循环来监听事件，当检测到事件时触发回调函数。

整个事件驱动的流程就是这么实现的，非常简洁。有点类似于观察者模式，事件相当于一个主题(Subject)，而所有注册到这个事件上的处理函数相当于观察者(Observer)。

Node.js 有多个内置的事件，我们可以通过引入 events 模块，并通过实例化 EventEmitter 类来绑定和监听事件，如下实例：

// 引入 events 模块
var events = require('events');
// 创建 eventEmitter 对象
var eventEmitter = new events.EventEmitter();

以下程序绑定事件处理程序：

// 绑定事件及事件的处理程序
eventEmitter.on('eventName', eventHandler);

我们可以通过程序触发事件：

// 触发事件
eventEmitter.emit('eventName');

实例

创建 main.js 文件，代码如下所示：

// 引入 events 模块
var events = require('events');
// 创建 eventEmitter 对象
var eventEmitter = new events.EventEmitter();

// 创建事件处理程序
var connectHandler = function connected() {
   console.log('连接成功。');
  
   // 触发 data_received 事件 
   eventEmitter.emit('data_received');
}

// 绑定 connection 事件处理程序
eventEmitter.on('connection', connectHandler);
 
// 使用匿名函数绑定 data_received 事件
eventEmitter.on('data_received', function(){
   console.log('数据接收成功。');
});

// 触发 connection 事件 
eventEmitter.emit('connection');

console.log("程序执行完毕。");

接下来让我们执行以上代码：

$ node main.js
连接成功。
数据接收成功。
程序执行完毕。

Node 应用程序是如何工作的？

在 Node 应用程序中，执行异步操作的函数将回调函数作为最后一个参数，回调函数接收错误对象作为第一个参数。

接下来让我们来重新看下前面的实例，创建一个 input.txt ,文件内容如下：

源宝网地址：www.ybao.org

创建 main.js 文件，代码如下：

var fs = require("fs");

fs.readFile('input.txt', function (err, data) {
   if (err){
      console.log(err.stack);
      return;
   }
   console.log(data.toString());
});
console.log("程序执行完毕");

以上程序中 fs.readFile() 是异步函数用于读取文件。如果在读取文件过程中发生错误，错误 err 对象就会输出错误信息。

如果没发生错误，readFile 跳过 err 对象的输出，文件内容就通过回调函数输出。

执行以上代码，执行结果如下：

程序执行完毕
源宝网地址：www.ybao.org

接下来我们删除 input.txt 文件，执行结果如下所示：

程序执行完毕
Error: ENOENT, open 'input.txt'

因为文件 input.txt 不存在，所以输出了错误信息。