徹底搞懂nodejs事情循環(huán)

代碼的藝術(shù) 卓越工程師必修課

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nodejs是單線程執(zhí)行的，同時它又是基于事情驅(qū)動的非阻塞IO編程模型。這就使得我們不用等候異步操作結(jié)果返回，就能夠繼續(xù)往下執(zhí)行代碼。當(dāng)異步事情觸發(fā)之后，就會通知主線程，主線程執(zhí)行相應(yīng)事情的回調(diào)。

以上是眾所周知的內(nèi)容。今天我們從源碼動手，剖析一下nodejs的事情循環(huán)機制。

nodejs架構(gòu)

首先，我們先看下nodejs架構(gòu)，下圖所示：

如上圖所示，nodejs自上而下分為

• 用戶代碼 ( js 代碼 )

用戶代碼即我們編寫的應(yīng)用程序代碼、npm包、nodejs內(nèi)置的js模塊等，我們?nèi)粘９ぷ髦械拇缶植繒r間都是編寫這個層面的代碼。

• binding代碼或者三方插件（js 或 C/C++ 代碼）

膠水代碼，可以讓js調(diào)用C/C++的代碼。能夠?qū)⑵淞私鉃橐粋€橋，橋這頭是js，橋那頭是C/C++，經(jīng)過這個橋能夠讓js調(diào)用C/C++。
在nodejs里，膠水代碼的主要作用是把nodejs底層完成的C/C++庫暴露給js環(huán)境。
三方插件是我們本人完成的C/C++庫，同時需求我們本人完成膠水代碼，將js和C/C++停止橋接。

• 底層庫

nodejs的依賴庫，包括大名鼎鼎的V8、libuv。
V8： 我們都曉得，是google開發(fā)的一套高效javascript運轉(zhuǎn)時，nodejs可以高效執(zhí)行 js 代碼的很大緣由主要在它。
libuv：是用C言語完成的一套異步功用庫，nodejs高效的異步編程模型很大水平上歸功于libuv的完成，而libuv則是我們今天重點要剖析的。
還有一些其他的依賴庫
http-parser：擔(dān)任解析http響應(yīng)
openssl：加解密
c-ares：dns解析
npm：nodejs包管理器
...

關(guān)于nodejs不再過多引見，大家能夠自行查閱學(xué)習(xí)，接下來我們重點要剖析的就是libuv。

libuv 架構(gòu)

我們曉得，nodejs完成異步機制的中心便是libuv，libuv承當(dāng)著nodejs與文件、網(wǎng)絡(luò)等異步任務(wù)的溝通橋梁，下面這張圖讓我們對libuv有個大約的印象：

這是libuv官網(wǎng)的一張圖，很明顯，nodejs的網(wǎng)絡(luò)I/O、文件I/O、DNS操作、還有一些用戶代碼都是在 libuv 工作的。
既然談到了異步，那么我們首先歸結(jié)下nodejs里的異步事情：

• 非I/O：

  • 定時器（setTimeout，setInterval）
  • microtask（promise）
  • process.nextTick
  • setImmediate
  • DNS.lookup

• I/O：

  • 網(wǎng)絡(luò)I/O
  • 文件I/O
  • 一些DNS操作
• ...

網(wǎng)絡(luò)I/O

關(guān)于網(wǎng)絡(luò)I/O，各個平臺的完成機制不一樣，linux 是 epoll 模型，類 unix 是 kquene 、windows 下是高效的 IOCP 完成端口、SunOs 是 event ports，libuv 對這幾種網(wǎng)絡(luò)I/O模型停止了封裝。

文件I/O、異步DNS操作

libuv內(nèi)部還維護著一個默許4個線程的線程池，這些線程擔(dān)任執(zhí)行文件I/O操作、DNS操作、用戶異步代碼。當(dāng) js 層傳送給 libuv 一個操作任務(wù)時，libuv 會把這個任務(wù)加到隊列中。之后分兩種狀況：

• 1、線程池中的線程都被占用的時分，隊列中任務(wù)就要停止排隊等候閑暇線程。
• 2、線程池中有可用線程時，從隊列中取出這個任務(wù)執(zhí)行，執(zhí)行終了后，線程出借到線程池，等候下個任務(wù)。同時以事情的方式通知event-loop，event-loop接納到事情執(zhí)行該事情注冊的回調(diào)函數(shù)。

當(dāng)然，假如覺得4個線程不夠用，能夠在nodejs啟動時，設(shè)置環(huán)境變量UV_THREADPOOL_SIZE來調(diào)整，出于系統(tǒng)性能思索，libuv 規(guī)則可設(shè)置線程數(shù)不能超越128個。

nodejs源碼

先扼要引見下nodejs的啟動過程：

• 1、調(diào)用platformInit辦法 ，初始化 nodejs 的運轉(zhuǎn)環(huán)境。
• 2、調(diào)用 performance_node_start 辦法，對 nodejs 停止性能統(tǒng)計。
• 3、openssl設(shè)置的判別。
• 4、調(diào)用v8_platform.Initialize，初始化 libuv 線程池。
• 5、調(diào)用 V8::Initialize，初始化 V8 環(huán)境。
• 6、創(chuàng)立一個nodejs運轉(zhuǎn)實例。
• 7、啟動上一步創(chuàng)立好的實例。
• 8、開端執(zhí)行js文件，同步代碼執(zhí)行終了后，進入事情循環(huán)。
• 9、在沒有任何可監(jiān)聽的事情時，銷毀 nodejs 實例，程序執(zhí)行終了。

以上就是 nodejs 執(zhí)行一個js文件的全過程。接下來著重引見第八個步驟，事情循環(huán)。

我們看幾處關(guān)鍵源碼：

• 1、core.c，事情循環(huán)運轉(zhuǎn)的中心文件。

int uv_run(uv_loop_t* loop, uv_run_mode mode) { int timeout; int r; int ran_pending; //判別事情循環(huán)能否存活。 r = uv__loop_alive(loop); //假如沒有存活，更新時間戳 if (!r) uv__update_time(loop); //假如事情循環(huán)存活，并且事情循環(huán)沒有中止。 while (r != 0 && loop->stop_flag == 0) { //更新當(dāng)前時間戳 uv__update_time(loop); //執(zhí)行 timers 隊列 uv__run_timers(loop); //執(zhí)行由于上個循環(huán)未執(zhí)行完，并被延遲到這個循環(huán)的I/O 回調(diào)。 ran_pending = uv__run_pending(loop); //內(nèi)部調(diào)用，用戶不care，疏忽 uv__run_idle(loop); //內(nèi)部調(diào)用，用戶不care，疏忽 uv__run_prepare(loop); timeout = 0; if ((mode == UV_RUN_ONCE && !ran_pending) || mode == UV_RUN_DEFAULT) //計算間隔下一個timer到來的時間差。 timeout = uv_backend_timeout(loop); //進入 輪詢 階段，該階段輪詢I/O事情，有則執(zhí)行，無則阻塞，直到超出timeout的時間。 uv__io_poll(loop, timeout); //進入check階段，主要執(zhí)行 setImmediate 回調(diào)。 uv__run_check(loop); //停止close階段，主要執(zhí)行 **關(guān)閉** 事情 uv__run_closing_handles(loop); if (mode == UV_RUN_ONCE) { //更新當(dāng)前時間戳 uv__update_time(loop); //再次執(zhí)行timers回調(diào)。 uv__run_timers(loop); } //判別當(dāng)前事情循環(huán)能否存活。 r = uv__loop_alive(loop); if (mode == UV_RUN_ONCE || mode == UV_RUN_NOWAIT) break; } /* The if statement lets gcc compile it to a conditional store. Avoids * dirtying a cache line. */ if (loop->stop_flag != 0) loop->stop_flag = 0; return r; }

• 2、timers 階段，源碼文件：timers.c。

void uv__run_timers(uv_loop_t* loop) { struct heap_node* heap_node; uv_timer_t* handle; for (;;) { //取出定時器堆中超時時間最近的定時器句柄 heap_node = heap_min((struct heap*) &loop->timer_heap); if (heap_node == NULL) break; handle = container_of(heap_node, uv_timer_t, heap_node); // 判別最近的一個定時器句柄的超時時間能否大于當(dāng)前時間，假如大于當(dāng)前時間，闡明還未超時，跳出循環(huán)。 if (handle->timeout > loop->time) break; // 中止最近的定時器句柄 uv_timer_stop(handle); // 判別定時器句柄類型能否是repeat類型，假如是，重新創(chuàng)立一個定時器句柄。 uv_timer_again(handle); //執(zhí)行定時器句柄綁定的回調(diào)函數(shù) handle->timer_cb(handle); } }

• 3、 輪詢階段 源碼，源碼文件：kquene.c

void uv__io_poll(uv_loop_t* loop, int timeout) { /*一連串的變量初始化*/ //判別能否有事情發(fā)作 if (loop->nfds == 0) { //判別察看者隊列能否為空，假如為空，則返回 assert(QUEUE_EMPTY(&loop->watcher_queue)); return; } nevents = 0; // 察看者隊列不為空 while (!QUEUE_EMPTY(&loop->watcher_queue)) { /* 取出隊列頭的察看者對象 取出察看者對象感興味的事情并監(jiān)聽。 */ ....省略一些代碼 w->events = w->pevents; } assert(timeout >= -1); //假如有超時時間，將當(dāng)前時間賦給base變量 base = loop->time; // 本輪執(zhí)行監(jiān)聽事情的最大數(shù)量 count = 48; /* Benchmarks suggest this gives the best throughput. */ //進入監(jiān)聽循環(huán) for (;; nevents = 0) { // 有超時時間的話，初始化spec if (timeout != -1) { spec.tv_sec = timeout / 1000; spec.tv_nsec = (timeout % 1000) * 1000000; } if (pset != NULL) pthread_sigmask(SIG_BLOCK, pset, NULL); // 監(jiān)聽內(nèi)核事情，當(dāng)有事情到來時，即返回事情的數(shù)量。 // timeout 為監(jiān)聽的超時時間，超時時間一到即返回。 // 我們曉得，timeout是傳進來得下一個timers到來的時間差，所以，在timeout時間內(nèi)，event-loop會不斷阻塞在此處，直到超時時間到來或者有內(nèi)核事情觸發(fā)。 nfds = kevent(loop->backend_fd, events, nevents, events, ARRAY_SIZE(events), timeout == -1 ? NULL : &spec); if (pset != NULL) pthread_sigmask(SIG_UNBLOCK, pset, NULL); /* Update loop->time unconditionally. It's tempting to skip the update when * timeout == 0 (i.e. non-blocking poll) but there is no guarantee that the * operating system didn't reschedule our process while in the syscall. */ SAVE_ERRNO(uv__update_time(loop)); //假如內(nèi)核沒有監(jiān)聽到可用事情，且本次監(jiān)聽有超時時間，則返回。 if (nfds == 0) { assert(timeout != -1); return; } if (nfds == -1) { if (errno != EINTR) abort(); if (timeout == 0) return; if (timeout == -1) continue; /* Interrupted by a signal. Update timeout and poll again. */ goto update_timeout; } 。。。 //判別事情循環(huán)的察看者隊列能否為空 assert(loop->watchers != NULL); loop->watchers[loop->nwatchers] = (void*) events; loop->watchers[loop->nwatchers + 1] = (void*) (uintptr_t) nfds; // 循環(huán)處置內(nèi)核返回的事情，執(zhí)行事情綁定的回調(diào)函數(shù) for (i = 0; i < nfds; i++) { 。。。。 } }

參考 前端進階面試題細(xì)致解答

uv__io_poll階段源碼最長，邏輯最為復(fù)雜，能夠做個概括，如下：
當(dāng)js層代碼注冊的事情回調(diào)都沒有返回的時分，事情循環(huán)會阻塞在poll階段?？吹竭@里，你可能會想了，會永遠(yuǎn)阻塞在此處嗎？

1、首先呢，在poll階段執(zhí)行的時分，會傳入一個timeout超時時間，該超時時間就是poll階段的最大阻塞時間。
2、其次呢，在poll階段，timeout時間未到的時分，假如有事情返回，就執(zhí)行該事情注冊的回調(diào)函數(shù)。timeout超時時間到了，則退出poll階段，執(zhí)行下一個階段。

所以，我們不用擔(dān)憂事情循環(huán)會永遠(yuǎn)阻塞在poll階段。

以上就是事情循環(huán)的兩個中心階段。限于篇幅，timers階段的其他源碼和setImmediate、process.nextTick的觸及到的源碼就不羅列了，感興味的童鞋能夠看下源碼。

最后，總結(jié)出事情循環(huán)的原理如下，以上你能夠不care，記住下面的總結(jié)就好了。

事情循環(huán)原理

• node 的初始化

  • 初始化 node 環(huán)境。
  • 執(zhí)行輸入代碼。
  • 執(zhí)行 process.nextTick 回調(diào)。
  • 執(zhí)行 microtasks。

• 進入 event-loop

  • 進入 timers 階段

    • 檢查 timer 隊列能否有到期的 timer 回調(diào)，假如有，將到期的 timer 回調(diào)依照 timerId 升序執(zhí)行。
    • 檢查能否有 process.nextTick 任務(wù)，假如有，全部執(zhí)行。
    • 檢查能否有microtask，假如有，全部執(zhí)行。
    • 退出該階段。

  • 進入IO callbacks階段。

    • 檢查能否有 pending 的 I/O 回調(diào)。假如有，執(zhí)行回調(diào)。假如沒有，退出該階段。
    • 檢查能否有 process.nextTick 任務(wù)，假如有，全部執(zhí)行。
    • 檢查能否有microtask，假如有，全部執(zhí)行。
    • 退出該階段。

  • 進入 idle，prepare 階段：

    • 這兩個階段與我們編程關(guān)系不大，暫且按下不表。

  • 進入 poll 階段

    • 首先檢查能否存在尚未完成的回調(diào)，假如存在，那么分兩種狀況。

      • 第一種狀況：

        • 假如有可用回調(diào)（可用回調(diào)包含到期的定時器還有一些IO事情等），執(zhí)行一切可用回調(diào)。
        • 檢查能否有 process.nextTick 回調(diào)，假如有，全部執(zhí)行。
        • 檢查能否有 microtaks，假如有，全部執(zhí)行。
        • 退出該階段。

      • 第二種狀況：

        • 假如沒有可用回調(diào)。
        • 檢查能否有 immediate 回調(diào)，假如有，退出 poll 階段。假如沒有，阻塞在此階段，等候新的事情通知。
    • 假如不存在尚未完成的回調(diào)，退出poll階段。

  • 進入 check 階段。

    • 假如有immediate回調(diào)，則執(zhí)行一切immediate回調(diào)。
    • 檢查能否有 process.nextTick 回調(diào)，假如有，全部執(zhí)行。
    • 檢查能否有 microtaks，假如有，全部執(zhí)行。
    • 退出 check 階段

  • 進入 closing 階段。

    • 假如有immediate回調(diào)，則執(zhí)行一切immediate回調(diào)。
    • 檢查能否有 process.nextTick 回調(diào)，假如有，全部執(zhí)行。
    • 檢查能否有 microtaks，假如有，全部執(zhí)行。
    • 退出 closing 階段

  • 檢查能否有活潑的 handles（定時器、IO等事情句柄）。

    • 假如有，繼續(xù)下一輪循環(huán)。
    • 假如沒有，完畢事情循環(huán)，退出程序。

仔細(xì)的童鞋能夠發(fā)現(xiàn)，在事情循環(huán)的每一個子階段退出之前都會按次第執(zhí)行如下過程：

• 檢查能否有 process.nextTick 回調(diào)，假如有，全部執(zhí)行。
• 檢查能否有 microtaks，假如有，全部執(zhí)行。
• 退出當(dāng)前階段。

記住這個規(guī)律哦。