[NodeJS] NodeJS運行原理簡記

NodeJS的基本組成

NodeJS是JavaScript運行時，主要由V8引擎和libuv組成，其中V8使用 javascript 和 c++ 編寫，而libuv是純 c++ 編寫的，二者都是開源的。

V8引擎用於將 javascript 代碼轉換為電腦可以執行的機器碼；

而libuv則負責完成非同步IO、與操作系統交互（文件系統和網路模塊）、事件迴圈、線程池等等。

Node還有其它模塊：

• http-parser：用於解析http；
• c-ares：用於處理DNS請求；
• OpenSSL：用於加密和安全編程；
• zlib：與壓縮有關。

總而言之，NodeJS相當於Javascript和操作系統之間的一個抽象層，為開發人員提供了API，使得開發人員可以編寫純JavaScript代碼來操控操作系統。

NodeJS的特點

• 單線程，基於事件驅動的非阻塞IO模型，使得NodeJS非常輕量級和高效；
• 適用於需要快速且可擴展的數據密集型Web應用程式，例如：
  • 帶有資料庫的API（最好是像MongoDB這樣的NoSQL資料庫）；
  • 數據流式傳輸
  • 實時聊天應用
  • 服務端Web應用（例如使用Pug這種模板引擎的模式）
• 不適用於CPU密集型的服務端處理任務，例如圖像處理、視頻轉換、文件壓縮等等。

NodeJS程式的工作流程

NodeJS工作在單線程中，在開發後端服務的時候，應該時刻註意不要阻塞這個線程。

在啟動NodeJS進程之後，主線程的工作流程如下：

1. 初始化程式 initialize program
2. 執行頂層代碼 execute top-level code
3. 獲取依賴模塊 require modules
4. 註冊回調事件 register event callbacks
5. 啟動事件迴圈 start event loop

事件迴圈是整個Node應用的核心，只能應付簡單的任務，開銷較大的任務不能在事件迴圈中執行，否則會阻塞主線程（對於後端服務來說是致命的）。

開銷較大的任務實際上會被卸載到libuv提供的線程池中執行，線程池預設的數量是4，可以配置，至多128個。（配置項是process.env.UV_THREADPOLL_SIZE）

如何卸載任務和卸載哪些任務到線程池是由Node處理的，與開發人員無關。會被卸載到線程池執行的任務是計算開銷比較大的，比如：

1. 文件系統API
2. 與密碼學相關的API
3. 與壓縮有關的操作
4. DNS查詢

事件迴圈：

Node中的事件迴圈分為多個階段，每個階段都有對應的回調隊列，每次到達一個階段，會執行隊列里的任務。

當隊列被清空或者執行一定數量的任務後，則會進入下一個階段。

具體流程如下：

詳細的總結可以看官方文檔：Node.js — The Node.js Event Loop (nodejs.org)

或者可以看我之前寫的一篇博客：[NodeJS] NodeJS事件迴圈 - feixianxing - 博客園 (cnblogs.com)

對於剛開始嘗試使用NodeJS開發後端應用的前端開發人員來說，使用NodeJS編寫服務端代碼有以下註意事項：

1. 在回調函數中使用fs、crypto、zlib的API都應該使用非同步的，因為這時已經進入事件迴圈階段了，不能阻塞；而在頂層同步代碼的範圍內，則可以根據情況選擇同步或者非同步API。

   案例：有一個介面，它的響應與一個較大的文件有關，而這個文件的內容是不變的。假如每次請求都去非同步地讀取這個文件內容，然後再返回的話，其實很耗費時間，可以考慮在啟動伺服器的時候就同步/非同步的讀取文件內容保存到一個變數里，後續每次請求只需要拿變數的數據就OK了（其實就是做了個緩存，不需要每次請求都去磁碟找內容，在服務啟動的時候就把內容先讀到記憶體了）。

2. 不要執行複雜的計算（即時間複雜度高的演算法）；

3. 謹慎處理複雜對象的JSON序列化；

4. 不要使用複雜的正則表達式；

5. 將耗時任務卸載給線程池或者使用child.processes；

總結：核心思想就是不要阻塞主線程，因為來自所有用戶的所有請求都通過主線程處理，一旦阻塞基本上服務就廢了。

事件驅動架構

NodeJS提供了一個events模塊，其中有一個類是EventEmitter，這個類是NodeJS事件驅動架構的核心，很多其它NodeJS的核心類都繼承了這個類。

http模塊中的 server 就是繼承了EventEmitter，因此有相關的 on 方法：

const server = http.createServer();
server.on('request', (req, res)=>{
 console.log('Request received');
 res.end('Request received');
});

EventEmitter是基於發佈/訂閱模式設計的：

• 發佈者Emitters通過emit方法發佈指定名稱的事件；
• 訂閱者Listeners通過on方法訂閱指定名稱的事件並註冊回調函數。

簡單地介紹發佈/訂閱模式：發佈者和訂閱者之間是鬆散耦合的，它們互相不知道對方的存在，僅通過中間的消息代理進行通信。

EventEmitter使用指南：

1. 限制監聽器數量：一個事件如果有太多監聽器會占用大量記憶體。可以使用 setMaxListeners 方法來控制最大監聽器數量。

   const EventEmitter = require('events');
   const emitter = new EventEmitter();
   emitter.setMaxListeners(10); // 設置最大監聽器數量為10
   

2. 正確處理錯誤：始終提供錯誤監聽器以捕獲和優雅地處理錯誤；如果沒有監聽錯誤事件，emit('error')會拋出異常，並列印調用堆棧，結束進程。

3. 移除不再使用的監聽器：在不再需要時清理監聽器，以釋放資源。

4. 使用描述性的事件名稱：使用有意義且描述性的事件名稱，使代碼更加可讀和易於維護。

參考

[1] B站 NodeJS 教學視頻
[2] Events | Node.js v22.4.0 Documentation
[3] Node.js——The Node.js Event Loop
[4] [NodeJS] NodeJS事件迴圈 - feixianxing - 博客園
[5] geeks for geeks: What is EventEmitter in Node.js ?