Node.js 异步原理-线程池

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通常我们在讨论 Node.js 的时候都会涉及到异步这个特性。实际上 Node.js 在执行异步调用的时候,不同的场景下有着不同的处理方式。本文将通过 libuv 源码来分析 Node.js 是如何通过 libuv 的线程池完成异步调用。本文描述的 Node.js 版本为 v11.15.0,libuv 版本为 1.24.0

以下面的代码为例,它通过调用 fs.access 来异步地判断文件是否存在并在回调中打印日志,在 Node.js 中这是一个典型的异步调用。

const fs = require('fs')
const cb = function (err) {
  console.log(`Is myfile exists: ${!err}`)
}
fs.access('myfile', cb)

在分析上面这段代码的调用过程之前,我们先来了解一些 libuv 概念。

什么类型的请求 libuv 会把它放到线程池去执行

主动通过 libuv 发起的操作被 libuv 称为[请求]请求,libuv 的线程池作用于以下 4 种枚举的异步请求:

其它的 UV_CONNECTUV_WRITEUDP_SEND 等则并不会通过线程池去执行。

线程池请求分类

这 4 种枚举请求 libuv 内部把它们分为 3 种[任务类型]任务类型

  • UV__WORK_CPU:CPU 密集型,UV_WORK 类型的请求被定义为这种类型。因此根据这个分类,不推荐在 uv_queue_work 中做 I/O 密集的操作。
  • UV__WORK_FAST_IO:快 IO 型,UV_FS 类型的请求被定义为这种类型。
  • UV__WORK_SLOW_IO:慢 IO 型,UV_GETADDRINFOUV_GETNAMEINFO 类型的请求被定义为这种类型。

UV__WORK_SLOW_IO 执行不同于 UV__WORK_CPUUV__WORK_FAST_IO ,libuv 执行它的时候流程会有些差异,这个后面会提到。

线程池是如何初始化的

libuv 通过init_threads 函数初始化线程池,初始化时会根据一个名为 UV_THREADPOOL_SIZE 的环境变量来初始化内部线程池的大小,线程最大数量为 128 ,默认为 4 。如果以单进程的架构去部署服务,可以根据服务器 CPU 的核心数量及业务情况来设置线程池大小,达到资源利用的最大化。uv loop 线程在创建 worker 线程时,会初始化以下变量:

  • 信号量 sem:在创建线程时与线程进行同步,每个线程创建好后将会通过这个信号量告知 uv loop 线程自己已经初始化完毕,可以开始处理请求了。当所有线程都初始化完成后这个信号量将被销毁,即完成线程池的初始化。
  • 条件变量 cond:线程创建完成后通过这个条件变量进入阻塞状态( uv_cond_wait ),直到其它线程通过 uv_cond_signal 将其唤醒。
  • 互斥量 mutex:对下面 3 个临界资源进行互斥访问。
  • 请求队列 wq:线程池收到 UV__WORK_CPUUV__WORK_FAST_IO 类型的请求后将其插到此队列的尾部,并通过 uv_cond_signal 唤醒 worker 线程去处理,这是线程池请求的主队列。
  • 慢 I/O 队列 slow_io_pending_wq:线程池收到 UV__WORK_SLOW_IO 类型的请求后将其插到此队列的尾部。
  • 慢 I/O 标志位节点 run_slow_work_message:当存在慢 I/O 请求时,用来作为一个标志位放在请求队列 wq 中,表示当前有慢 I/O 请求,worker 线程处理请求时需要关注慢 I/O 队列的请求;当慢 I/O 队列的请求都处理完毕后这个标志位将从请求队列 wq 中移除。

worker 线程的入口函数均为 worker 函数,这个我们后面再说。 init_threads 实现如下:

static void init_threads(void) {
  unsigned int i;
  const char* val;
  uv_sem_t sem;

  // 6-23 行初始化线程池大小
  nthreads = ARRAY_SIZE(default_threads);
  val = getenv("UV_THREADPOOL_SIZE"); // 根据环境变量设置线程池大小
  if (val != NULL)
    nthreads = atoi(val);
  if (nthreads == 0)
    nthreads = 1;
  if (nthreads > MAX_THREADPOOL_SIZE)
    nthreads = MAX_THREADPOOL_SIZE;

  threads = default_threads;
  if (nthreads > ARRAY_SIZE(default_threads)) {
    threads = uv__malloc(nthreads * sizeof(threads[0]));
    if (threads == NULL) {
      nthreads = ARRAY_SIZE(default_threads);
      threads = default_threads;
    }
  }
  // 初始化条件变量
  if (uv_cond_init(&cond))
    abort();

  // 初始化互斥量
  if (uv_mutex_init(&mutex))
    abort();

  // 初始化队列和节点
  QUEUE_INIT(&wq); // 工作队列
  QUEUE_INIT(&slow_io_pending_wq); // 慢 I/O 队列
  QUEUE_INIT(&run_slow_work_message); // 如果有慢 I/O 请求,将此节点作为标志位插入到 wq 中

  // 初始化信号量
  if (uv_sem_init(&sem, 0))
    abort(); // 后续线程同步需要依赖这个信号量,因此这个信号量创建失败了则终止进程

  // 创建 worker 线程
  for (i = 0; i < nthreads; i++)
    if (uv_thread_create(threads + i, worker, &sem)) // 初始化 worker 线程
      abort(); // woker 线程创建错误原因为 EAGAIN、EINVAL、EPERM 其中之一,具体请参考 man3
  
  // 等待 worker 创建完成
  for (i = 0; i < nthreads; i++)
    uv_sem_wait(&sem); // 等待 worker 线程创建完毕

  // 回收信号量资源
  uv_sem_destroy(&sem);
}

请求是如何放到线程池去执行的

libuv 有两个函数可以创建多线程请求:

uv__work_submit 函数主要做 2 件事:

  1. 调用 init_threads 初始化线程池,因为线程池的创建是惰性的,只有用到的时候才会创建。
  2. 调用内部的 post 函数将请求插入到请求队列中。

实现如下:

void uv__work_submit(uv_loop_t* loop,
                     struct uv__work* w,
                     enum uv__work_kind kind,
                     void (*work)(struct uv__work* w),
                     void (*done)(struct uv__work* w, int status)) {
  // 在收到请求后才开始初始化线程池,但是只会初始化一次
  uv_once(&once, init_once);
  w->loop = loop;
  w->work = work;
  w->done = done;
  post(&w->wq, kind);
}

static void init_once(void) {
  // fork 后子进程的 mutex 、condition variables 等 pthread 变量的状态是父进程 fork 时的复制,所以子进程创建时需要重置状态
  // 具体请参考 http://man7.org/linux/man-pages/man2/fork.2.html
  if (pthread_atfork(NULL, NULL, &reset_once))
    abort();
  // 初始化线程池
  init_threads();
}

static void reset_once(void) {
  // 重置 once 变量
  uv_once_t child_once = UV_ONCE_INIT;
  memcpy(&once, &child_once, sizeof(child_once));
}

post 函数主要做 2 件事:

  1. 判断请求的请求类型是否是 UV__WORK_SLOW_IO

    • 如果是,将这个请求插到慢 I/O 请求队列 slow_io_pending_wq 的尾部,同时在请求队列 wq 的尾部插入一个 run_slow_work_message 节点作为标志位,告知请求队列 wq 当前存在慢 I/O 请求。
    • 如果不是,将请求插到请求队列 wq 尾部。
  2. 如果有空闲的线程,唤醒某一个去执行请求。

并发的慢 I/O 的请求数量不会超过线程池大小的一半,这样做的好处是避免多个慢 I/O 的请求在某段时间内把所有线程都占满,导致其它能够快速执行的请求需要排队。

post 函数实现如下:

static void post(QUEUE* q, enum uv__work_kind kind) {
  // 加锁
  uv_mutex_lock(&mutex);
  if (kind == UV__WORK_SLOW_IO) {
    /* 插入到慢 I/O 队列中 */
    QUEUE_INSERT_TAIL(&slow_io_pending_wq, q);
    /* 如果 run_slow_work_message 节点不为空代表其已在 wq 队列中,无需再次插入 */
    if (!QUEUE_EMPTY(&run_slow_work_message)) {
      uv_mutex_unlock(&mutex);
      return;
    }
    // 不在 wq 队列中则将 run_slow_work_message 作为标志位插到 wq 尾部
    q = &run_slow_work_message;
  }
  // 将请求插到请求队列尾部
  QUEUE_INSERT_TAIL(&wq, q);
  // 如果有空闲的线程,唤醒某一个去执行请求
  if (idle_threads > 0)
    uv_cond_signal(&cond); // 唤醒一个 worker 线程
  uv_mutex_unlock(&mutex);
}

worker 线程的入口函数 worker 在线程创建好并初始化完成后将按照下面的步骤不断的循环:

  1. 等待唤醒。
  2. 取出请求队列 wq 或者慢 I/O 请求队列的头部请求去执行。
  3. 通知 uv loop 线程完成了一个请求的处理。
  4. 回到 1 。
static void worker(void* arg) {
  struct uv__work* w;
  QUEUE* q;
  int is_slow_work;

  // 通知 uv loop 线程此 worker 线程已创建完毕
  uv_sem_post((uv_sem_t*) arg);
  arg = NULL;

  uv_mutex_lock(&mutex);
  // 通过这个死循环来不断的执行请求
  for (;;) {
    /*
        这个 while 有2个判断
        1. 在多核处理器下,pthread_cond_signal 可能会激活多于一个线程,通过一个 while 来避免这种情况导致的问题,具体请参考 https://linux.die.net/man/3/pthread_cond_signal
        2. 限制慢 I/O 请求的数量小于线程数量的一半
    */
    while (QUEUE_EMPTY(&wq) ||
           (QUEUE_HEAD(&wq) == &run_slow_work_message &&
            QUEUE_NEXT(&run_slow_work_message) == &wq &&
            slow_io_work_running >= slow_work_thread_threshold())) {
      idle_threads += 1;
      // worker 线程初始化完成或没有请求执行时进入阻塞状态,直到被新的请求唤醒
      uv_cond_wait(&cond, &mutex);
      idle_threads -= 1;
    }
    // 唤醒并且达到执行请求的条件后取出队列头部的请求
    q = QUEUE_HEAD(&wq);
    // 如果头部请求是退出,则跳出循环,结束 worker 线程
    if (q == &exit_message) {
      // 继续唤醒其它 worker 去结束线程
      uv_cond_signal(&cond);
      uv_mutex_unlock(&mutex);
      break;
    }

    // 将这个请求节点从请求队列 wq 中移除
    QUEUE_REMOVE(q);
    QUEUE_INIT(q);

    is_slow_work = 0;
    // 如果这个请求是慢 I/O 的标志位
    if (q == &run_slow_work_message) {
      /* 控制慢 I/O 请求数量,超过则插到队列尾部,等待前面的请求执行完 */
      if (slow_io_work_running >= slow_work_thread_threshold()) {
        QUEUE_INSERT_TAIL(&wq, q);
        continue;
      }

      /* 判断慢 I/O 请求队列中是否有请求,请求有可能被取消 */
      if (QUEUE_EMPTY(&slow_io_pending_wq))
        continue;

      is_slow_work = 1;
      slow_io_work_running++;

      // 取出慢 I/O 请求队列中头部的请求
      q = QUEUE_HEAD(&slow_io_pending_wq);
      QUEUE_REMOVE(q);
      QUEUE_INIT(q);

      // 如果慢 I/O 请求队列中还有请求,则将 run_slow_work_message 这个标志位重新插到请求队列 wq 的尾部
      if (!QUEUE_EMPTY(&slow_io_pending_wq)) {
        QUEUE_INSERT_TAIL(&wq, &run_slow_work_message);
        if (idle_threads > 0)
          uv_cond_signal(&cond); // 唤醒一个线程继续执行
      }
    }

    uv_mutex_unlock(&mutex);

    w = QUEUE_DATA(q, struct uv__work, wq);
    // 上面处理了这多,终于在这里开始执行请求的函数了
    w->work(w);

    uv_mutex_lock(&w->loop->wq_mutex);
    w->work = NULL;
    
    // 为保证线程安全,请求执行完后不会立即回调请求,而是将完成的请求插到已完成的请求队列中,在uv loop 线程完成回调
    QUEUE_INSERT_TAIL(&w->loop->wq, &w->wq);
    // 通过 uv_async_send 同步 uv loop 线程:线程池完成了一个请求
    uv_async_send(&w->loop->wq_async);
    uv_mutex_unlock(&w->loop->wq_mutex);

    uv_mutex_lock(&mutex);
    if (is_slow_work) {
      slow_io_work_running--;
    }
  }
}

请求在 worker 执行完后是如何同步 uv loop 所在的线程

uv_loop_init 时,线程池的 [wq_async]wq_async 句柄通过 uv_async_init 初始化并插入到 uv loop 的 async_handles 队列中,然后在 uv loop 线程中遍历 async_handles 队列并完成回调。

worker 线程 和 uv loop 线程通过 uv_async_send 进行同步,而uv_async_send 只做了一件事:向 async_wfd 句柄写了一个长度为 1 个字节的字符串(只有 \0 这个字符)。

uv_async_send 实现如下:

int uv_async_send(uv_async_t* handle) {
  if (ACCESS_ONCE(int, handle->pending) != 0)
    return 0;
  // cmpxchgi 函数设置标志位,如果已经设置过则不会重复调用 uv__async_send
  if (cmpxchgi(&handle->pending, 0, 1) == 0)
    uv__async_send(handle->loop);

  return 0;
}

static void uv__async_send(uv_loop_t* loop) {
  const void* buf;
  ssize_t len;
  int fd;
  int r;

  buf = "";
  len = 1;
  fd = loop->async_wfd;

#if defined(__linux__)
  if (fd == -1) {
    static const uint64_t val = 1;
    buf = &val;
    len = sizeof(val);
    fd = loop->async_io_watcher.fd;  /* eventfd */
  }
#endif

  do
    r = write(fd, buf, len); // 向 fd 写入内容
  while (r == -1 && errno == EINTR);

  if (r == len)
    return;

  if (r == -1)
    if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK)
      return;

  abort();
}

async_wfd 写内容为什么能做到同步呢?实际上在 worker 线程对 async_wfd 写入时,uv loop 线程同时也在不断的循环去接收处理各种各样的事件或请求,其中就包括对 async_wfd 可读事件的监听。

uv loop 是在 uv_run 函数中执行的,它在 Node.js 启动时 被调用, uv_run 实现如下:

int uv_run(uv_loop_t* loop, uv_run_mode mode) {
  int timeout;
  int r;
  int ran_pending;

  r = uv__loop_alive(loop);
  if (!r)
    uv__update_time(loop);

  while (r != 0 && loop->stop_flag == 0) {
    // 更新计时器时间
    uv__update_time(loop);
    // 回调超时的计时器,setTimeout、setInterval 都是由这个函数回调
    uv__run_timers(loop);
    // 处理某些没有在 uv__io_poll 完成的回调
    ran_pending = uv__run_pending(loop);
    // 官方解释:Idle handle is needed only to stop the event loop from blocking in poll.
    // 实际上 napi 中某些函数比如 napi_call_threadsafe_function 会往 idle 队列中插入回调,然后在这个阶段执行
    uv__run_idle(loop);
    // process._startProfilerIdleNotifier 的回调
    uv__run_prepare(loop);

    timeout = 0;
    if ((mode == UV_RUN_ONCE && !ran_pending) || mode == UV_RUN_DEFAULT)
      timeout = uv_backend_timeout(loop); // 计算 uv__io_poll 超时时间,算法请参考 https://github.com/libuv/libuv/blob/v1.24.0/src/unix/core.c#L318

    // 对 async_wfd 可读的监听在 uv__io_poll 这个函数中
    // 第二个参数 timeout 为上面计算出来,用来设置 epoll_wait 等函数等待 I/O 事件的时间
    uv__io_poll(loop, timeout);
    // setImmediate 的回调
    // ps: 个人觉得从实现上讲 setImmediate 和 nextTick 应该互换名字 :-)
    uv__run_check(loop);
    // 关闭句柄是个异步操作
    // 一般结束 uv loop 时会先调用 uv_walk 遍历所有句柄并关闭它们,然后再执行一次 uv loop 通过这个函数来完成关闭,最后再调用 uv_loop_close,否则的话会出现内存泄露
    uv__run_closing_handles(loop);

    if (mode == UV_RUN_ONCE) {
      /* UV_RUN_ONCE implies forward progress: at least one callback must have
       * been invoked when it returns. uv__io_poll() can return without doing
       * I/O (meaning: no callbacks) when its timeout expires - which means we
       * have pending timers that satisfy the forward progress constraint.
       *
       * UV_RUN_NOWAIT makes no guarantees about progress so it's omitted from
       * the check.
       */
      uv__update_time(loop);
      uv__run_timers(loop);
    }

    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;
}

可以看到 uv loop 里面其实就是在不断的循环去更新计时器、处理各种类型的回调、轮询 I/O 事件,Node.js 的异步便是通过 uv loop 完成的。

libuv 的异步采用的是 Reactor 模型进行多路复用,在 uv__io_poll 中去处理 I/O 相关的事件, uv__io_poll 在不同的平台下通过 epollkqueue 等不同的方式实现。所以当往 async_wfd 写入内容时,在 uv__io_poll 中将会轮询到 async_wfd 可读的事件,这个事件仅仅是用来通知 uv loop 线程: 非 uv loop 线程有回调需要在 uv loop 线程执行。

当轮询到 async_wfd 可读后,uv__io_poll 会回调对应的函数 uv__async_io,它主要做了下面 2 件事:

  1. 读取数据,确认是否有 uv_async_send 调用,数据内容并不关心。
  2. 遍历 async_handles 句柄队列 ,判断是否有事件,如果有的话执行它的回调。

实现如下:

static void uv__async_io(uv_loop_t* loop, uv__io_t* w, unsigned int events) {
  char buf[1024];
  ssize_t r;
  QUEUE queue;
  QUEUE* q;
  uv_async_t* h;

  assert(w == &loop->async_io_watcher);

  // 这个 for 循环用来确认是否有 uv_async_send 调用
  for (;;) {
    r = read(w->fd, buf, sizeof(buf));

    if (r == sizeof(buf))
      continue;

    if (r != -1)
      break;

    if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK)
      break;

    if (errno == EINTR)
      continue;

    abort();
  }
 
  // 交换 loop->async_handle 和 queue内容,避免在遍历 loop->async_handles 时有新的 async_handle 插入到队列
  // loop->async_handles 队列中除了线程池的句柄还有其它的
  QUEUE_MOVE(&loop->async_handles, &queue);
  while (!QUEUE_EMPTY(&queue)) {
    q = QUEUE_HEAD(&queue);
    h = QUEUE_DATA(q, uv_async_t, queue);

    QUEUE_REMOVE(q);
    // 将 uv_async_t 重新插入到 loop->async_handles 中,uv_async_t 需要手动调用 uv__async_stop 才会从队列中移除
    QUEUE_INSERT_TAIL(&loop->async_handles, q);

    // 确认这个 async_handle 是否需要回调
    if (cmpxchgi(&h->pending, 1, 0) == 0)
      continue;

    if (h->async_cb == NULL)
      continue;

    // 调用通过 uv_async_init 初始化 uv_async_t 时绑定的回调函数
    // 线程池的 uv_async_t 是在 uv_loop_init 时初始化的,它绑定的回调是 uv__work_done
    // 因此如果 h == loop->wq_async,这里 h->async_cb 实际是调用了 uv__work_done(h);
    // 详情请参考 https://github.com/libuv/libuv/blob/v1.24.0/src/unix/loop.c#L88
    h->async_cb(h);
  }
}

调用线程池的 h->async_cb 后会回到线程池的 uv__work_done 函数:

void uv__work_done(uv_async_t* handle) {
  struct uv__work* w;
  uv_loop_t* loop;
  QUEUE* q;
  QUEUE wq;
  int err;

  loop = container_of(handle, uv_loop_t, wq_async);
  uv_mutex_lock(&loop->wq_mutex);
  // 清空已完成的 loop->wq 队列
  QUEUE_MOVE(&loop->wq, &wq);
  uv_mutex_unlock(&loop->wq_mutex);

  while (!QUEUE_EMPTY(&wq)) {
    q = QUEUE_HEAD(&wq);
    QUEUE_REMOVE(q);

    w = container_of(q, struct uv__work, wq);
    // 如果在回调前调用了 uv_cancel 取消请求,则即使请求已经执行完,依旧算出错
    err = (w->work == uv__cancelled) ? UV_ECANCELED : 0;
    w->done(w, err);
  }
}

最后通过 w->done(w, err) 回调 uv__fs_done,并由 uv__fs_done 回调 JS 函数:

static void uv__fs_done(struct uv__work* w, int status) {
  uv_fs_t* req;

  req = container_of(w, uv_fs_t, work_req);
  uv__req_unregister(req->loop, req);

  // 如果取消了则抛出异常
  if (status == UV_ECANCELED) {
    assert(req->result == 0);
    req->result = UV_ECANCELED;
  }

  // 回调 JS
  req->cb(req);
}

以上就是 libuv 是线程池从创建到执行多线程请求的过程。

fs.access 调用过程分析

再回到文章开头提到的代码,我们来分析它的调用过程。

const fs = require('fs')
const cb = function (err) {
  console.log(`Is myfile exists: ${!err}`)
}
fs.access('myfile', cb)

假设线程池大小为 2 ,下面描述了执行 fs.access 时 3 个线程的状态(略过了 Node.js 启动和 JavaScript 和 Native 函数调用过程),时间轴从上到下:

空白代表处于阻塞状态,-代表线程尚未启动

uv loop thread worker thread 1 worker thread 2
[fs.access]fs.access - -
JavaScript 通过 v8 调用 Native 函数 - -
uv_fs_access - -
uv__work_submit - -
init_threads worker worker
uv_sem_wait uv_sem_post uv_sem_post
uv_cond_wait uv_cond_wait
uv_cond_signal
uv__io_poll access
uv__io_poll
uv__io_poll uv_async_send
uv__io_poll uv_cond_wait
uv__io_poll
uv__async_io
uv__work_done
uv__fs_done
Native 通过 v8 回调 JavaScript 函数
cb
console.log(`Is myfile exists: ${exists}`)

可以看到调用过程如下:

  1. 通过 Node.js 启动时对 JavaScript 函数与 Native 函数的绑定,fs.access 最终会进入到 Native 函数中,而 Native 函数会调用 libuv 的 uv_fs_access 函数来判断文件是否可以访问。(这里略过 JavaScript 如何通过 v8 调用 Native 函数)
  2. uv_fs_access 在 uv loop 线程向线程池提交了一个多线程请求。
  3. 由于线程池是惰性的,在执行请求前,先进行了初始化线程池的操作。
  4. 线程池初始化完成后唤醒了 worker thread 1 去执行请求,同时 uv loop 线程不断的轮询是否完成了请求。
  5. worker thread 1 同步的调用 access 函数判断目标文件是否可读。
  6. access 函数完成后, worker thread 1 通过 uv_async_send 同步 uv loop 线程请求已完成,同时自身进入阻塞状态,等待新的请求将其唤醒。
  7. uv loop 线程发现请求执行完成后通过一系列回调回到 uv__fs_done
  8. uv__fs_done 回调 JavaScript 函数打印日志。(这里略过 uv__fs_done 是如何通过 v8 回调到 JavaScript)

整个过程由于没有新的请求进来, worker thread 2 始终处于阻塞状态。

结束语

通过对 fs.access 的调用过程分析,我们了解了 libuv 是如何通过线程池进行异步调用的。另外也可以看到针对不同的平台,libuv 对 uv__io_poll 的实现是不同的,后面我们将介绍 uv__io_poll 实现异步 I/O 的方式。

阅读 699更新于 5月14日
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