Node.js学习记录： 异步I/O

Node.js 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。

阻塞I/O与非阻塞I/O

操作系统内核对于I/O只有两种方式：阻塞与非阻塞

阻塞I/O的一个特点是调用之后一定要等到系统内核层面完成所有操作后，调用才结束。以读取 磁盘上的一段文件为例，系统内核在完成磁盘寻道、读取数据、复制数据到内存中之后，这个调用才结束。

阻塞I/O造成CPU等待I/O，浪费等待时间，CPU的处理能力不能得到充分利用。为了提高性能，内核提供了非阻塞I/O。

非阻塞I/O跟阻塞I/O的差别为调用之后会立即返回

示例

阻塞代码实例

创建一个文件 input.txt ，内容如下：

镜心的小树屋:http://jxdxsw.com/

创建 main.js 文件, 代码如下：

var fs = require("fs");

var data = fs.readFileSync('input.txt');

console.log(data.toString());
console.log("程序执行结束!");

以上代码执行结果如下：

$ node main.js
镜心的小树屋:http://jxdxsw.com/

程序执行结束!

非阻塞代码实例

创建一个文件 input.txt ，内容如下：

镜心的小树屋:http://jxdxsw.com/

创建 main.js 文件, 代码如下：

var fs = require("fs");

fs.readFile('input.txt', function (err, data) {
    if (err) return console.error(err);
    console.log(data.toString());
});

console.log("程序执行结束!");

以上代码执行结果如下：

  $ node main.js
    程序执行结束!
    镜心的小树屋:http://jxdxsw.com/

以上两个实例我们了解了阻塞与非阻塞调用的不同。第一个实例在文件读取完后才执行完程序。 第二个实例我们不需要等待文件读取完，这样就可以在读取文件时同时执行接下来的代码，大大提高了程序的性能。
因此，阻塞是按顺序执行的，而非阻塞是不需要按顺序的，所以如果需要处理回调函数的参数，我们就需要写在回调函数内。

轮询

非阻塞I/O返回之后，CPU的时间片可以用来处理其他事务，此时的性能提升是明显的。
但非阻塞I/O也存在一些问题。由于完整的I/O并没有完成，立即返回的并不是业务层期望的数据，而仅仅是当前调用的状态。为了获取完整的数据，应用程序需要重复调用I/O操作来确认是否完成。
这种重复调用判断操作是否完成的技术叫做轮询。
具体可以看这几篇文章

Ajax轮询——“定时的通过Ajax查询服务端”

Node的异步I/O

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.

观察者

每执行一次循环体的过程我们称之为Tick，在每个Tick过程中，如何判断是否有事件需要处理？这就要引入观察者概念。

事件可能来自用户的点击或者加载某些文件时产生，而这些产生的事件都有对应的观察者。在Node中，事件主要来自网络请求、文件I/O等，这些事件对应的观察者有文件I/O观察者、网络I/O观察者等。观察者将事件进行了分类。

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1：

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。

事件循环是典型的生产者/消费者模型。异步I/O、网络请求等则是事件的生产者，源源不断的为Node提供不同类型的事件，这些事件被传递到对应的观察者那里，事件循环则从观察者那里取出事件并处理。
在windows下，这个循环基于IOCP创建，而在*nix下则基于多线程创建。

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：

镜心的小树屋:http://jxdxsw.com/

创建 main.js 文件，代码如下：

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
镜心的小树屋:http://jxdxsw.com/

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。

非I/O的异步API

Node中还存在一些与I/O无关的异步API：

• setTimeout()

• setInterval()

• setImmediate()

• process.nextTick()

setTimeout()和setInterval() 与浏览器中API是一致的，分别用于单次和多次定时执行任务，它们的实现原理和异步I/O比较类似，只是不需要I/O线程池的参与。

参考

Web 通信 之 长连接、长轮询（long polling）
实现轮询的方式
《深入浅出nodejs》