解秘 Node.js 单线程实现高并发请求原理，以及串联同步执行并发请求的方案

[biaochenxuying]

最近在做一个支持多进程请求的 Node 服务，要支持多并发请求，而且请求要按先后顺序串联同步执行返回结果。

对，这需求就是这么奇琶，业务场景也是那么奇琶。

需求是完成了，为了对 Node.js 高并发请求原理有更深一些的理解，特意写一篇文章来巩固一下相关的知识点。

问题

Node.js 由这些关键字组成： 事件驱动、非阻塞I/O、高效、轻量。

于是在我们刚接触 Node.js 时，会有所疑问：

• 为什么在浏览器中运行的 JavaScript 能与操作系统进行如此底层的交互？

• Node 真的是单线程吗？

• 如果是单线程，他是如何处理高并发请求的？

• Node 事件驱动是如何实现的？

下来我们一起来解秘这是怎么一回事！

架构一览

上面的问题，都挺底层的，所以我们从 Node.js 本身入手，先来看看 Node.js 的结构。

• Node.js 标准库，这部分是由 Javascript编写的，即我们使用过程中直接能调用的 API。在源码中的 lib 目录下可以看到。

• Node bindings，这一层是 Javascript 与底层 C/C++ 能够沟通的关键，前者通过 bindings 调用后者，相互交换数据。

• 第三层是支撑 Node.js 运行的关键，由 C/C++ 实现。

• V8：Google 推出的 Javascript VM，也是 Node.js 为什么使用的是 JavaScript 的关键，它为 JavaScript 提供了在非浏览器端运行的环境，它的高效是 Node.js 之所以高效的原因之一。

• Libuv：它为 Node.js 提供了跨平台，线程池，事件池，异步 I/O 等能力，是 Node.js 如此强大的关键。

• C-ares：提供了异步处理 DNS 相关的能力。

• http_parser、OpenSSL、zlib 等：提供包括 http 解析、SSL、数据压缩等其他的能力。

单线程、异步

• 单线程：所有任务需要排队，前一个任务结束，才会执行后一个任务。如果前一个任务耗时很长，后一个任务就不得不一直等着。Node 单线程指的是 Node 在执行程序代码时，主线程是单线程。

• 异步：主线程之外，还维护了一个"事件队列"（Event queue）。当用户的网络请求或者其它的异步操作到来时，Node 都会把它放到 Event Queue 之中，此时并不会立即执行它，代码也不会被阻塞，继续往下走，直到主线程代码执行完毕。

注：

• JavaScript 是单线程的，Node 本身其实是多线程的，只是 I/O 线程使用的 CPU 比较少；还有个重要的观点是，除了用户的代码无法并行执行外，所有的 I/O (磁盘 I/O 和网络 I/O) 则是可以并行起来的。
• libuv 线程池默认打开 4 个，最多打开 128 个 线程。

事件循环

Nodejs 所谓的单线程，只是主线程是单线程。

• 主线程运行 V8 和 JavaScript
• 多个子线程通过 事件循环 被调度

可以抽象为：主线程对应于老板，正在工作。一旦发现有任务可以分配给职员（子线程）来做，将会把任务分配给底下的职员来做。同时，老板继续做自己的工作，等到职员（子线程）把任务做完，就会通过事件把结果回调给老板。老板又不停重复处理职员（子线程）子任务的完成情况。

老板（主线程）给职员（子线程）分配任务，当职员（子线程）把任务做完之后，通过事件把结果回调给老板。老板（主线程）处理回调结果，执行相应的 JavaScript。

更具体的解释请看下图：

1、每个 Node.js 进程只有一个主线程在执行程序代码，形成一个执行栈（execution context stack)。

2、Node.js 在主线程里维护了一个"事件队列"（Event queue），当用户的网络请求或者其它的异步操作到来时，Node 都会把它放到 Event Queue之中，此时并不会立即执行它，代码也不会被阻塞，继续往下走，直到主线程代码执行完毕。

3、主线程代码执行完毕完成后，然后通过 Event Loop，也就是事件循环机制，检查队列中是否有要处理的事件，这时要分两种情况：如果是非 I/O 任务，就亲自处理，并通过回调函数返回到上层调用；如果是 I/O 任务，就从 线程池 中拿出一个线程来处理这个事件，并指定回调函数，当线程中的 I/O 任务完成以后，就执行指定的回调函数，并把这个完成的事件放到事件队列的尾部，线程归还给线程池，等待事件循环。当主线程再次循环到该事件时，就直接处理并返回给上层调用。 这个过程就叫 事件循环 (Event Loop)。

4、期间，主线程不断的检查事件队列中是否有未执行的事件，直到事件队列中所有事件都执行完了，此后每当有新的事件加入到事件队列中，都会通知主线程按顺序取出交 Event Loop 处理。

优缺点

Nodejs 的优点：I/O 密集型处理是 Nodejs 的强项，因为 Nodejs 的 I/O 请求都是异步的（如：sql 查询请求、文件流操作操作请求、http 请求...）

Nodejs 的缺点：不擅长 cpu 密集型的操作（复杂的运算、图片的操作）

总结

1、Nodejs 与操作系统交互，我们在 JavaScript 中调用的方法，最终都会通过 process.binding 传递到 C/C++ 层面，最终由他们来执行真正的操作。Node.js 即这样与操作系统进行互动。

2、Nodejs 所谓的单线程，只是主线程是单线程，所有的网络请求或者异步任务都交给了内部的线程池去实现，本身只负责不断的往返调度，由事件循环不断驱动事件执行。

3、Nodejs 之所以单线程可以处理高并发的原因，得益于 libuv 层的事件循环机制，和底层线程池实现。

4、Event loop 就是主线程从主线程的事件队列里面不停循环的读取事件，驱动了所有的异步回调函数的执行，Event loop 总共 7 个阶段，每个阶段都有一个任务队列，当所有阶段被顺序执行一次后，event loop 完成了一个 tick。

参考文章：Nodejs探秘：深入理解单线程实现高并发原理

串联同步执行并发请求

就像上面说的：Node.js 在主线程里维护了一个"事件队列"（Event queue），当用户的网络请求或者其它的异步操作到来时，Node 都会把它放到 Event Queue之中，此时并不会立即执行它，代码也不会被阻塞，继续往下走，直到主线程代码执行完毕。

所以要串联同步执行并发请求的关键在于维护一个队列，队列的特点是 先进先出，按队列里面的顺序执行就可以达到串联同步执行并发请求的目的。

方案

• 根据每个请求的 uniqueId 变量作为唯一令牌
• 队列里面维护一个结果数组和一个执行队列，把执行队列完成的 令牌与结果 存储在结果数组里面
• 根据唯一令牌，一直去获取执行完成的结果，间隔 200 毫秒，超时等待时间为 10 分钟
• 一直等待并获取结果，等待到有结果时，才返回给请求；并根据令牌把结果数组里面相应的项删除

队列

代码：

class Recorder {
    private list: any[];

    private queueList: any[];

    private intervalTimer;

    constructor() {
        this.list = [];
        this.queueList = [];
        this.intervalTimer = null;
    }

    // 根据 id 获取任务结果
    public get(id: string) {
        let data;
        console.log('this.list: ', this.list);
        let index;
        for (let i = 0; i < this.list.length; i++) {
            const item = this.list[i];
            if (id === item.id) {
                data = item.data;
                index = i;
                break;
            }
        }
        // 删除获取到结果的项
        if (index !== undefined) {
            this.list.splice(index, 1);
        }
        return data;
    }

    public clear() {
        this.list = [];
        this.queueList = [];
    }

    // 添加项
    public async addQueue(item: any) {
        this.queueList.push(item);
    }

    public async runQueue() {
        clearInterval(this.intervalTimer);
        if (!this.queueList.length) {
            // console.log('队列执行完毕');
            return;
        }
        // 取出队列里面的最后一项
        const item = this.queueList.shift();
        console.log('item: ', item);
        // 执行队列的回调
        const data = await item.callback();
        console.log('回调执行完成: ', data);
        // 把结果放进 结果数组
        this.list.push({ id: item.id, data });
    }

    public interval() {
        clearInterval(this.intervalTimer);
        this.intervalTimer = setInterval(async () => {
            clearInterval(this.intervalTimer);
            // 一直执行里面的任务
            await this.runQueue();
            this.interval();
        }, 200);
    }
}

const recorder = new Recorder();
recorder.interval();

export default recorder;

服务

下面模拟一个请求端口的的 Node 服务。

代码：

const Koa = require('koa')
const Router = require('koa-router')
const cuid = require('cuid');
const bodyParser = require('koa-bodyparser')
import recorder from "./libs/recorder";

const MAX_WAITING_TIME = 60 * 5; // 最大等待时长
// web服务端口
const SERVER_PORT: number = 3000;
const app = new Koa();
app.use(bodyParser());
const router = new Router();


/**
 * 程序睡眠
 * @param time 毫秒
 */
const timeSleep = (time: number) => {
    return new Promise((resolve) => {
        setTimeout(() => {
            resolve("");
        }, time);
    });
};

/**
 * 程序睡眠
 * @param second 秒
 */
const sleep = (second: number) => {
    return timeSleep(second * 1000);
};

router.post("/getPort", async (ctx, next) => {
	const { num } = ctx.request.body;
	const uniqueId = cuid();
	console.log('uniqueId: ', uniqueId);
    recorder.addQueue({
		id: uniqueId,
		callback: getPortFun(num)
	});
    let waitTime = 0;
	while (!ctx.body) {
		await sleep(0.2);
		console.log('1');
		const data: any = recorder.get(uniqueId);
		if (data) {
			ctx.body = {
				code: 0,
				data: data,
				msg: 'success'
			};
		}
		waitTime++;
        // 超过最大时间就返回一个结果
		if (waitTime > MAX_WAITING_TIME) {
			ctx.body = {};
		}
	}
});

// 返回一个函数
function getPortFun(num) {
	return () => {
		return new Promise((resolve) => {
            // 模拟异步程序
			setTimeout(() => {
				console.log(`num${num}: `, num);
				resolve(num * num);
			}, num * 1000);
		});
	};
}

app.use(router.routes()).use(router.allowedMethods());

app.listen(SERVER_PORT);

最后

最近状态很差劲，上班工作，多人的时候还好，但是自己一个人的时候，心情常常不能平静，心好乱，有点心慌 😥。

心情不好时，啥都不想干，心态有点扭转不过来，集中不了注意力，所以最近想专心写篇原创技术文章都不行，想重构自己开源的 blog 项目也不行，很糟糕 😭

所以最近的原创技术文章有点难产了 😥

心态急需调整，周末想出去玩，放松一下自己，找回那个斗志满满的真我才行，唉。

[caihaibin1991]

单线程局限性很大，如果有一个地方死循环，整个系统就会卡死。跳出单线程的框，走多线程~

参考下这边封装的多线程调用, 模块使用:tiny-worker, 代码不方便贴，你看能不能推出写法。

[lizyChy0329]

如果遇到 cpu 密集型的操作，那么就将他异步处理可行？如果你说会沾满单个 cpu 运算量，那么上 Cluster 是否OK？