NodeJS架构 - 单线程事件循环模型

摘要：客户端可能需要等待服务器释放可用的线程去处理其请求处理阻塞式的任务时浪费时间的架构单线程事件循环不遵循请求响应多线程无状态模型。它采用单线程与事件循环模型。

这篇译章探究了NodeJS的架构和单线程事件循环模型。我们将在本文中讨论“NodeJS如何在底层工作，它遵循什么类型的处理模型，NodeJS如何使用单线程模型处理并发请求”等内容。

正如我们刚才说的，NodeJS使用的是“单线程事件循环模型”的架构去处理多个并发的客户端请求的。

有许多Web应用程序技术，如JSP，Spring MVC，ASP.NET等。但所有这些技术都遵循“多线程请求 - 响应”架构来处理多个并发客户端。

我们已经熟悉“多线程请求 - 响应”架构，因为它被大多数Web应用程序框架使用。 但是为什么NodeJS选择了不同的架构来开发Web应用程序。多线程和单线程事件循环体系结构之间的主要区别是什么?

NodeJS使用“单线程事件循环模型”架构来处理多个并发客户端。然而它是如何真正处理并发客户端请求且不使用多个线程。什么是事件循环模型？我们将逐一讨论这些概念。

在讨论“单线程事件循环”架构之前，首先我们将介绍著名的“多线程请求 - 响应”架构。

任何非NodeJS开发的Web应用程序通常都遵循“多线程请求 - 响应”模型。我们可以将此模型称为请求/响应模型。

客户端向服务器发送请求，然后服务器根据客户端请求进行一些处理，准备响应并将其发送回客户端。

该模型使用HTTP协议。由于HTTP是无状态协议，因此该请求/响应模型也是无状态模型。所以我们可以将其称为请求/响应无状态模型。

但是，此模型使用多线程来处理并发客户端请求。 在讨论这个模型内部之前，首先要看下面的内容。

客户端发送一个请求到Web服务器

Web服务器内部维护一个有限的线程池，以便在客户端请求提供服务

Web服务器处于无限循环中并等待客户端传入请求

Web服务器处理请求步骤:

接收到一个客户端请求

从线程池中选择一个线程

将此线程分配给客户端请求

此线程读取客户端请求，处理客户端请求，执行阻塞的IO操作(如果需要)和准备响应

此线程将准备好的请求发送回Web服务器

Web服务器又将此响应发送到相应的服务器

服务器为所有客户端执行以上步骤，为每一个客户端请求创建一个线程。

图表说明:

Client-1, Client-2, ..., Client-n是同时发送请求到Web服务器的客户端应用

Web服务器内部维护着一个有限的线程池，线程池中线程数量为m个

Web服务器逐个接收这些请求:

Web服务器拾取Client-1的请求Request-1，从线程池中拾取一个线程T-1并将此请求分配给线程T-1

线程T-1读取Client-1的请求Request-1, 并处理该请求

该请求无阻塞IO处理

处理完必要的步骤后准备将Response-1发送回客户端

Web服务器又将此Response-1发送到Client-1

Web服务器拾取Client-2的请求Request-2，从线程池中拾取一个线程T-2并将此请求分配给线程T-2

线程T-2读取Client-2的请求Request-2, 并处理该请求

该请求无阻塞IO处理

处理完必要的步骤后准备将Response-2发送回客户端

Web服务器又将此Response-2发送到Client-2

Web服务器拾取Client-n的请求Request-n，从线程池中拾取一个线程T-n并将此请求分配给线程T-n

线程T-n读取Client-n的请求Request-n, 并处理该请求

Request-n需要大量的阻塞IO和计算操作

线程T-n需要更多时间与外部系统(SQL, File System)交互，执行必要步骤并准备Response-n并将其发送回服务器

Web服务器又将此Response-n发送到Client-n

如果"n"大于"m"（大多数时候,它是真的），则在使用完所有的m个线程之后，剩余的客户端请求会在队列中等待。

如果这些线程中有大量的阻塞IO操作(例如:和数据库、文件系统、外部服务等交互)，那么剩余的客户端也会等待更长的时间。

一旦线程池中的线程空闲且可用于下一个任务，服务器就会拾取这些线程并将它们分配给剩余的客户端请求。

每个线程都会使用到许多资源，如内存等。因此，在将这些线程从忙状态转到等待状态之前，它们应该释放所有获取的资源。

请求/响应无状态模型的缺点：

在处理越来越多的并发客户端请求时会变得棘手

当客户端请求增加时，线程也会越来越多，最后它们会占用更多内存。

客户端可能需要等待服务器释放可用的线程去处理其请求

处理阻塞式的IO任务时浪费时间

NodeJS不遵循请求/响应多线程无状态模型。 它采用单线程与事件循环模型。 NodeJS的处理模型主要基于Javascript基于事件的模型和Javascript回调机制。

因为NodeJS遵循的架构，它可以非常轻松地处理越来越多的并发客户端请求。 在讨论这个模型内部之前，首先要看下面的图表。

我试图设计这个图来解释NodeJS内部的每一点。

NodeJS的处理模型主要核心是“事件循环(Event Loop)”。如果我们理解这一点，那么很容易理解NodeJS的内部架构的。

客户端发送请求到Web服务器

NodeJS的Web服务器在内部维护一个有限的线程池，以便为客户端请求提供服务

NodeJS的Web服务器接收这些请求并将它们放入队列中。 它被称为“事件队列”

NodeJS的Web服务器内部有一个组件，称为“事件循环”，它使用无限循环来接收请求并处理它们。

事件循环只使用到了一个线程，它是NodeJS的处理模型的核心

事件循环回去检查是否有客户端的请求被放置在事件队列中。如果没有，会一直等待事件队列中存在请求。

如果有，则会从事件队列中拾取一个客户端请求：

开始处理客户端请求

如果该客户端请求不需要任何阻塞IO操作，则处理所有内容，准备响应并将其发送回客户端

如果该客户端请求需要一些阻塞IO操作，例如与数据库，文件系统，外部服务交互，那么它将遵循不同的方法:

从内部线程池检查线程可用性

获取一个线程并将此客户端请求分配给该线程

该线程负责接收该请求，处理该请求，执行阻塞IO操作，准备响应并将其发送回事件循环

事件循环依次将响应发送到相应的客户端

图表说明:

Client-1, Client-2, ..., Client-n是同时发送请求到Web服务器的客户端应用

Web服务器内部维护着一个有限的线程池，线程池中线程数量为m个

NodeJS的Web服务器接收到Client-1, Client-2, ..., Client-n的请求后，将请求放入到事件队列中

NodeJS的事件循环从队列中开始拾取这些请求:

事件循环拾取Client-1的请求Request-1

检查Client-1 Request-1是否确实需要任何阻塞IO操作，或者需要更多时间来执行复杂的计算任务

由于此请求是简单计算和非阻塞IO任务，因此不需要多带带的线程来处理它

事件循环处理该请求所需要的操作，准备其响应Response-1

事件循环发送Response-1到Client-1

事件循环拾取Client-2的请求Request-2

检查Client-2 Request-2是否需要任何阻塞IO操作或花费更多时间来执行复杂的计算任务

由于此请求是简单计算和非阻塞IO任务，因此不需要多带带的线程来处理它

事件循环处理该请求所需要的操作，准备其响应Response-2

事件循环发送Response-2到Client-2

事件循环拾取Client-n的请求Request-n

检查Client-n Request-n是否需要任何阻塞IO操作或花费更多时间来执行复杂的计算任务

由于此请求有非常复杂的计算或阻塞IO任务，因此事件循环不会处理此请求

事件循环从内部线程池中获取线程T-1，并将此Client-n Request-n分配给线程T-1

线程T-1读取并处理Request-n，执行必要的阻塞IO或计算任务，最后准备响应Response-n

线程T-1将此Response-n发送到事件循环

事件循环依次将此Response-n发送到Client-n

此处客户端请求是对一个或多个JavaScript函数的调用，因为JavaScript函数可以调用其他函数或可以利用其回调函数性质。

此所以每个客户端的请求处理都看起来向这样:

例如:

function1(function2,callback1);
function2(function3,callback2);
function3(input-params);

NodeJS的单线程事件循环的优势

处理越来越多的并发客户端请求非常容易

因为事件循环的存在，即使我们的NodeJS应用接收到了越来越多的并发请求，我们也不需要去新建很多的线程

NodeJS使用到了较少的线程，所以资源和内存的使用较少

原文地址: NodeJS Architecture – Single Threaded Event Loop