nodejs是单线程执行的，同时它又是基于事件驱动的非阻塞IO编程模型。这就使得我们不用等待异步操作结果返回，就可以继续往下执行代码。当异步事件触发之后，就会通知主线程，主线程执行相应事件的回调。
以上是众所周知的内容。今天我们从源码入手，分析一下nodejs的事件循环机制。
nodejs架构
首先，我们先看下nodejs架构，下图所示：
如上图所示，nodejs自上而下分为
- 用户代码 ( js 代码 )
用户代码即我们编写的应用程序代码、npm包、nodejs内置的js模块等，我们日常工作中的大部分时间都是编写这个层面的代码。
- binding代码或者三方插件（js 或 C/C++ 代码）
胶水代码，能够让js调用C/C++的代码。可以将其理解为一个桥，桥这头是js，桥那头是C/C++，通过这个桥可以让js调用C/C++。
在nodejs里，胶水代码的主要作用是把nodejs底层实现的C/C++库暴露给js环境。
三方插件是我们自己实现的C/C++库，同时需要我们自己实现胶水代码，将js和C/C++进行桥接。
- 底层库
nodejs的依赖库，包括大名鼎鼎的V8、libuv。
V8： 我们都知道，是google开发的一套高效javascript运行时，nodejs能够高效执行 js 代码的很大原因主要在它。
libuv：是用C语言实现的一套异步功能库，nodejs高效的异步编程模型很大程度上归功于libuv的实现，而libuv则是我们今天重点要分析的。
还有一些其他的依赖库
http-parser：负责解析http响应
openssl：加解密
c-ares：dns解析
npm：nodejs包管理器
...
关于nodejs不再过多介绍，大家可以自行查阅学习，接下来我们重点要分析的就是libuv。
libuv 架构
我们知道，nodejs实现异步机制的核心便是libuv，libuv承担着nodejs与文件、网络等异步任务的沟通桥梁，下面这张图让我们对libuv有个大概的印象：
这是libuv官网的一张图，很明显，nodejs的网络I/O、文件I/O、DNS操作、还有一些用户代码都是在 libuv 工作的。
既然谈到了异步，那么我们首先归纳下nodejs里的异步事件：
非I/O：
- 定时器（setTimeout，setInterval）
- microtask（promise）
- process.nextTick
- setImmediate
- DNS.lookup
I/O：
- 网络I/O
- 文件I/O
- 一些DNS操作
- ...
网络I/O
对于网络I/O，各个平台的实现机制不一样，linux 是 epoll 模型，类 unix 是 kquene 、windows 下是高效的 IOCP 完成端口、SunOs 是 event ports，libuv 对这几种网络I/O模型进行了封装。
文件I/O、异步DNS操作
libuv内部还维护着一个默认4个线程的线程池，这些线程负责执行文件I/O操作、DNS操作、用户异步代码。当 js 层传递给 libuv 一个操作任务时，libuv 会把这个任务加到队列中。之后分两种情况：
- 1、线程池中的线程都被占用的时候，队列中任务就要进行排队等待空闲线程。
- 2、线程池中有可用线程时，从队列中取出这个任务执行，执行完毕后，线程归还到线程池，等待下个任务。同时以事件的方式通知event-loop，event-loop接收到事件执行该事件注册的回调函数。
当然，如果觉得4个线程不够用，可以在nodejs启动时，设置环境变量UV_THREADPOOL_SIZE来调整，出于系统性能考虑，libuv 规定可设置线程数不能超过128个。
nodejs源码
先简要介绍下nodejs的启动过程：
- 1、调用platformInit方法 ，初始化 nodejs 的运行环境。
- 2、调用 performance_node_start 方法，对 nodejs 进行性能统计。
- 3、openssl设置的判断。
- 4、调用v8_platform.Initialize，初始化 libuv 线程池。
- 5、调用 V8::Initialize，初始化 V8 环境。
- 6、创建一个nodejs运行实例。
- 7、启动上一步创建好的实例。
- 8、开始执行js文件，同步代码执行完毕后，进入事件循环。
- 9、在没有任何可监听的事件时，销毁 nodejs 实例，程序执行完毕。
以上就是 nodejs 执行一个js文件的全过程。接下来着重介绍第八个步骤，事件循环。
我们看几处关键源码：
- 1、core.c，事件循环运行的核心文件。
int uv_run(uv_loop_t* loop, uv_run_mode mode) {
int timeout;
int r;
int ran_pending;
//判断事件循环是否存活。
r = uv__loop_alive(loop);
//如果没有存活，更新时间戳
if (!r)
uv__update_time(loop);
//如果事件循环存活，并且事件循环没有停止。
while (r != 0 && loop->stop_flag == 0) {
//更新当前时间戳
uv__update_time(loop);
//执行 timers 队列
uv__run_timers(loop);
//执行由于上个循环未执行完，并被延迟到这个循环的I/O 回调。
ran_pending = uv__run_pending(loop);
//内部调用，用户不care，忽略
uv__run_idle(loop);
//内部调用，用户不care，忽略
uv__run_prepare(loop);
timeout = 0;
if ((mode == UV_RUN_ONCE && !ran_pending) || mode == UV_RUN_DEFAULT)
//计算距离下一个timer到来的时间差。
timeout = uv_backend_timeout(loop);
//进入 轮询 阶段，该阶段轮询I/O事件，有则执行，无则阻塞，直到超出timeout的时间。
uv__io_poll(loop, timeout);
//进入check阶段，主要执行 setImmediate 回调。
uv__run_check(loop);
//进行close阶段，主要执行 **关闭** 事件
uv__run_closing_handles(loop);
if (mode == UV_RUN_ONCE) {
//更新当前时间戳
uv__update_time(loop);
//再次执行timers回调。
uv__run_timers(loop);
}
//判断当前事件循环是否存活。
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 阶段，源码文件：timers.c。
void uv__run_timers(uv_loop_t* loop) {
struct heap_node* heap_node;
uv_timer_t* handle;
for (;;) {
//取出定时器堆中超时时间最近的定时器句柄
heap_node = heap_min((struct heap*) &loop->timer_heap);
if (heap_node == NULL)
break;
handle = container_of(heap_node, uv_timer_t, heap_node);
// 判断最近的一个定时器句柄的超时时间是否大于当前时间，如果大于当前时间，说明还未超时，跳出循环。
if (handle->timeout > loop->time)
break;
// 停止最近的定时器句柄
uv_timer_stop(handle);
// 判断定时器句柄类型是否是repeat类型，如果是，重新创建一个定时器句柄。
uv_timer_again(handle);
//执行定时器句柄绑定的回调函数
handle->timer_cb(handle);
}
}- 3、 轮询阶段 源码，源码文件：kquene.c
void uv__io_poll(uv_loop_t* loop, int timeout) {
/*一连串的变量初始化*/
//判断是否有事件发生
if (loop->nfds == 0) {
//判断观察者队列是否为空，如果为空，则返回
assert(QUEUE_EMPTY(&loop->watcher_queue));
return;
}
nevents = 0;
// 观察者队列不为空
while (!QUEUE_EMPTY(&loop->watcher_queue)) {
/* 取出队列头的观察者对象 取出观察者对象感兴趣的事件并监听。 */
....省略一些代码
w->events = w->pevents;
}
assert(timeout >= -1);
//如果有超时时间，将当前时间赋给base变量
base = loop->time;
// 本轮执行监听事件的最大数量
count = 48; /* Benchmarks suggest this gives the best throughput. */
//进入监听循环
for (;; nevents = 0) {
// 有超时时间的话，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);
// 监听内核事件，当有事件到来时，即返回事件的数量。
// timeout 为监听的超时时间，超时时间一到即返回。
// 我们知道，timeout是传进来得下一个timers到来的时间差，所以，在timeout时间内，event-loop会一直阻塞在此处，直到超时时间到来或者有内核事件触发。
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));
//如果内核没有监听到可用事件，且本次监听有超时时间，则返回。
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;
}
。。。
//判断事件循环的观察者队列是否为空
assert(loop->watchers != NULL);
loop->watchers[loop->nwatchers] = (void*) events;
loop->watchers[loop->nwatchers + 1] = (void*) (uintptr_t) nfds;
// 循环处理内核返回的事件，执行事件绑定的回调函数
for (i = 0; i < nfds; i++) {
。。。。
}
}参考 前端进阶面试题详细解答
uv__io_poll阶段源码最长，逻辑最为复杂，可以做个概括，如下：
当js层代码注册的事件回调都没有返回的时候，事件循环会阻塞在poll阶段。看到这里，你可能会想了，会永远阻塞在此处吗？
1、首先呢，在poll阶段执行的时候，会传入一个timeout超时时间，该超时时间就是poll阶段的最大阻塞时间。
2、其次呢，在poll阶段，timeout时间未到的时候，如果有事件返回，就执行该事件注册的回调函数。timeout超时时间到了，则退出poll阶段，执行下一个阶段。
所以，我们不用担心事件循环会永远阻塞在poll阶段。
以上就是事件循环的两个核心阶段。限于篇幅，timers阶段的其他源码和setImmediate、process.nextTick的涉及到的源码就不罗列了，感兴趣的童鞋可以看下源码。
最后，总结出事件循环的原理如下，以上你可以不care，记住下面的总结就好了。
事件循环原理
node 的初始化
- 初始化 node 环境。
- 执行输入代码。
- 执行 process.nextTick 回调。
- 执行 microtasks。
进入 event-loop
进入 timers 阶段
- 检查 timer 队列是否有到期的 timer 回调，如果有，将到期的 timer 回调按照 timerId 升序执行。
- 检查是否有 process.nextTick 任务，如果有，全部执行。
- 检查是否有microtask，如果有，全部执行。
- 退出该阶段。
进入IO callbacks阶段。
- 检查是否有 pending 的 I/O 回调。如果有，执行回调。如果没有，退出该阶段。
- 检查是否有 process.nextTick 任务，如果有，全部执行。
- 检查是否有microtask，如果有，全部执行。
- 退出该阶段。
进入 idle，prepare 阶段：
- 这两个阶段与我们编程关系不大，暂且按下不表。
进入 poll 阶段
首先检查是否存在尚未完成的回调，如果存在，那么分两种情况。
第一种情况：
- 如果有可用回调（可用回调包含到期的定时器还有一些IO事件等），执行所有可用回调。
- 检查是否有 process.nextTick 回调，如果有，全部执行。
- 检查是否有 microtaks，如果有，全部执行。
- 退出该阶段。
第二种情况：
- 如果没有可用回调。
- 检查是否有 immediate 回调，如果有，退出 poll 阶段。如果没有，阻塞在此阶段，等待新的事件通知。
- 如果不存在尚未完成的回调，退出poll阶段。
进入 check 阶段。
- 如果有immediate回调，则执行所有immediate回调。
- 检查是否有 process.nextTick 回调，如果有，全部执行。
- 检查是否有 microtaks，如果有，全部执行。
- 退出 check 阶段
进入 closing 阶段。
- 如果有immediate回调，则执行所有immediate回调。
- 检查是否有 process.nextTick 回调，如果有，全部执行。
- 检查是否有 microtaks，如果有，全部执行。
- 退出 closing 阶段
检查是否有活跃的 handles（定时器、IO等事件句柄）。
- 如果有，继续下一轮循环。
- 如果没有，结束事件循环，退出程序。
细心的童鞋可以发现，在事件循环的每一个子阶段退出之前都会按顺序执行如下过程：
- 检查是否有 process.nextTick 回调，如果有，全部执行。
- 检查是否有 microtaks，如果有，全部执行。
- 退出当前阶段。
记住这个规律哦。
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