This is Teddy! - Happy Hacking

Node.js 应该是如今最火的技术了。在之前的工作中，我也一直在使用 Node.js 进行开发，多多少少对 Node.js 有一些了解，今天就来和大家分享一下我对 Node.js 的认识。

1 什么是 Node.js

Node.js 并不是一个 Web Framework，它是一个搭建在 Chrome V8 引擎上的平台。在 Node.js 中，JS 可以随心所欲地访问本地文件，可以用来搭建 WebSocket 服务器，可以连接数据库，同时它不在与 CSS、DOM打交道。因此简单的说，Node.js 就是一个 JS 在 Server 端的运行环境。

2. Node.js 的起源

Ryan Dahl 是 Node.js 的创始人，在创造出 Node.js 之前，他是一名资深的 C/C++ 工程师，主要工作都是围绕高性能 Web 服务器进行的。在经过自己的不断摸索之后，他提出了高性能服务器的几个要点：事件驱动，非阻塞 I/O。备注: Ryan Dahl 现在已经不参与 Node.js 的开发维护了，他在把 Node.js 的整体架构基本构建完成之后就消失了。。。他本人的演讲也很有意思，非常值得一看。

2.1 为什么选择了 JavaScript

在写 Node.js 的时候，Ryan Dahl 曾经评估过 C、Lua、Haskell、Ruby 等语言作为备选实现。最后都弃用了，包括如下原因：

C 的开发门槛高
Lua 自身已经有很多阻塞 I/O 库，历史包袱比较重
Haskell 落选是因为 Ryan Dahl 觉得自己还玩不转它。。。
Ruby 的虚拟机性能不给力，所以也落选了

而 JavaScript 则符合了上述所有的要求

虽然坑多，但是初学起来还是比较容易
之前在服务端毫无表现，所以没有历史包袱
JS 之前在前端开发中，基于事件驱动有广泛的应用

$('button').on('click', function () {
    // ...
});

Chrome 浏览器的 JS 引擎 V8 过于炫酷，JS 在速度方面已经远远甩开其他的解释型语言了

2.2 Node.js 的特点

得益于 Chrome V8 引擎的优势，V8 让 Node.js 在性能上得到了巨大的提示，因为它去掉了中间环节，执行的不是字节码，用的也不是解释器，而是直接编译成了本地机器码。之前看到一个简单的测试，使用不同语言进行斐波那契数列计算，以 n=40 计算。性能至尊 C 占用的用户时间为 0m0.202s，使用 C++ 模块拓展的 Node.js 占用的用户时间为 0m1.001s 甚至比 Java(0m1.305s)、Go(0m1.667s) 这些静态语言还要快，即使未使用 C++ 模块拓展的 Node.js 也仅仅占用了 0m2.872s，相较于其他的解释型语言(Ruby 2.0.0 0m27.78s， Python pypy 0m30.01s)也是快了很多个量级。虽然这种简单的测试并不能完全反应出语言的性能，但是还是可以反应出 Node.js 在性能上不俗的表现。

Node.js 的主旨是使 I/O 操作与 CPU 操作分离(在 Web 开发中，通常是 I/O 占据了大量的时间)，不同于一般的每线程/每请求的方式，Node.js 通过事件驱动的方式处理请求，无须为每一个请求创建额外的对应线程，可以省掉创建线程和销毁线程的开销，同时操作系统在调度任务时因为线程较少，上下文切换的代价很低，这使得即使在大量连接的情况下，也不受线程上下文切换开销的影响，这是 Node.js 高性能的一个原因。Node.js 保留了前端浏览器 JS 的那些接口，没有改变语言本身的任何特性，依旧基于作用域和原型链。区别在于将前端中广泛应用的思想迁移到了服务器后端。

2.2.1 异步 I/O

// fs 是 Node.js 中的文件管理系统
var fs = require('fs');

fs.readFile('path/to/file', function (err, file) {
    console.log('读取完成');
});

console.log('发起读取');

一个典型的异步调用

在终端中运行这段代码，我们会发现发起读取是在读取完成之前输出的。因为 fs.readFile() 发起了一个异步调用，当所有的数据都读取完成后，会调用后面的回调函数。这个过程是在后台完成的，这样在该过程中，我们可以继续处理其他任何操作，直到数据准备好。

Node 中异步 I/O 的实现

通过让部分线程进行阻塞 I/O 或者非阻塞 I/O 加轮询技术来完成数据获取，让一个线程进行计算处理，通过线程之间的通信将 I/O 得到的数据进行传递，这就轻松实现了异步 I/O（尽管它是模拟的）。

2.2.2 单线程

Node.js 保持了 JavaScript 在浏览器中单线程的特点，而且在 Node 中，JavaScript 与其余线程是无法共享任何状态的。这带来的好处是：

无需像多线程编程那样处处在意状态同步的问题
没有死锁的存在
没有线程上下文切换带来的性能上的开销

同时也带来了潜在的问题：

无法利用多核 CPU
错误会引起整个应用退出，健壮性值得考验
大量占用 CPU 计算会导致后续的异步 I/O 发不出调用，已完成的异步 I/O 的回调函数也不会得到及时的执行

对于上面的问题，目前比较好的解决方案是通过类似 NGINX 中 Master-Worker 的管理方式。通过将大量计算分解掉，分发到子进程，再通过进程之间的事件消息来传递结果。

2.2.3 事件循环

在 Node 进程启动时，会创建一个类似于 while(true) 的循环，每执行一次循环体的过程我们称为 Tick。每个 Tick 的过程就是查看是否有事件待处理，如果有，就取出事件及其相关的回调函数。如果有新的事件调用，则分发到 I/O 线程池 中进行处理。这里单线程与 I/O线程池之间看起来有些矛盾的样子。实际上，Node 中除了 JavaScript 是单线程外，Node 自身其实是多线程的，只是 I/O 线程使用的 CPU 较少。另一方面，除了用户的代码无法并行执行外(因为 JavaScript 是单线程)外，所有的 I/O (磁盘 I/O 和网络 I/O) 则是可以并行起来的。

2.2.4 异步编程模型

由于 Node.js 中一切都是异步的，因此我们编程的方式也会不同于以往，以写一个遍历目录的函数为例

通常同步的方式

function travel(dir, callback) {
    fs.readdirSync(dir).forEach(function (file) {
        var pathname = path.join(dir, file);

        if (fs.statSync(pathname).isDirectory()) {
            travel(pathname, callback);
        } else {
            callback(pathname);
        }
    });
}

function travel(dir, callback, finish) {
    fs.readdir(dir, function (err, files) {
        (function next(i) {
            if (i < files.length) {
                var pathname = path.join(dir, files[i]);

                fs.stat(pathname, function (err, stats) {
                    if (stats.isDirectory()) {
                        travel(pathname, callback, function () {
                            next(i + 1);
                        });
                    } else {
                        callback(pathname, function () {
                            next(i + 1);
                        })
                    }                    
                });
            } else {
                finish && finish();
            }
        }(0));
    });
}

可以看到，由于 readdir，stat 这些函数都是异步执行的，返回的结果都需要我们在回调函数处理。开始时候写的时候会觉得逻辑有些反人类。。。但是一旦我们适应了，对这种异步代码的编写也就不那么困扰了。而且随着新的 JS 标准的推广，deferred/promise 的使用会越来越普遍。编写异步代码的痛苦会小很多，起码不需要这么多 callback 去嵌套导致写出很晦涩的代码了(Google 里面搜索 JavaScript callback 关键字，提示排第一的就是 JavaScript callback hell。。。)。

这次先大概说这些，虽然我自己是一个 Ruby 开发者，但是 Node.js 在构建一些高实时性的 Web 应用方面确实有着得天独厚的优势，同时它的编程模型也与 Ruby 截然不同。因此在空闲的时候，去学习一下这些新东西，也算是对我们自己编程思维的一种训练和拓展。

关于 Node.js 的一些事情(一)