认识 Node.js

Node.js 是当今网站开发中非常流行的一种技术，它以简单易学、开发成本低、高并发等特点而深受广大开发者欢迎，本节将对 Node.js 的基本概念、工作原理、优缺点，以及应用领域等进行介绍。

什么是 Node.js

Node.js（简称 Node）是一个开源的、基于 Chrome V8 引擎的服务器端 JavaScript 运行时环境，可以在浏览器环境以外的主机上解释和运行 JavaScript 代码，它发布于 2009 年 5 月，由谷歌工程师 Ryan Dahl 开发。Node.js 支持现在大部分的主流浏览器，包括 Chrome、Microsoft Edge 和 Opera 等。Node.js 主要由标准库、中间层和底层库这 3 部分组成，其架构如图1.1所示。

Figure 1. 图1.1 Node.js架构图

下面分别对图 1.1 中的 Node.js 结构层进行介绍。

标准库(Node standard library)：提供了开发人员能够直接进行调用并使用的一些 API，如 http 模块、stream 流模块、fs 文件系统模块等，可以使用 JavaScript 代码直接调用。
中间层(Node binding)：由于 Node.js 的底层库采用 C/C++ 实现，而标准库中的 JavaScript 代码无法直接与 C/C++ 进行通信，因此提供了中间层，它在标准库和底层库之间起到了桥梁的作用，它封装了底层库中 V8 引擎和 libuv 等的实现细节，并向标准库提供基础 API 服务。
底层库（C/C++ 实现）：底层库是 Node.js 运行的关键，它由 C/C++ 实现，包括 V8 引擎、libuv、C-ares、OpenSSL、zlib 等，它们的主要作用如下。
- V8 引擎：Google 的一个开源的 JavaScript 和 WebAssembly 引擎，使用 C++ 语言编写，用于 Chrome 浏览器和 Node.js 等。V8 引擎主要是为了提高 JavaScript 的运行效率，因此它采用了提前编译的方式，将 JavaScript 编译为原生机器码，这样在执行阶段程序的执行效率可以完全媲美二进制程序。
- libuv：一个专门为 Node.js 量身打造的跨平台异步 I/O 库，使用 C 语言编写，提供了非阻塞的文件系统、DNS、网络、子进程、管道、信号、轮询和流式处理机制。Node.js 会通过中间层将用户的 JavaScript 代码传递给底层库的 V8 引擎进行解析，然后通过 libuv 进行循环调度，最后再返回给调用 Node.js 标准库的应用。
- C-ares：一个用来处理异步 DNS 请求的库，使用 C 语言编写，对应 Node.js 中 dns 模块提供的 resolve() 系列方法。
- OpenSSL：一个通用的加密库，通常用于网络传输中的 TLS 和 SSL 协议实现，对应 Node.js 中的 tls、crypto 模块。
- zlib：一个提供压缩和解压支持的底层模块。

在 Node.js 中，libuv 发挥着十分重要的作用，具体如下：

libuv 使用各平台提供的事件驱动模块实现异步，这使得它可以支持 Node.js 应用的非文件 I/O 模块，并把相应的事件和回调封装成 I/O 观察者放到底层的事件驱动模块中。当事件触发时，libuv 会执行 I/O 观察者中的回调。
libuv 实现了一个线程池来支持 Node.js 中的文件 I/O、DNS、用户异步等操作。

Node.js 的工作原理

通过上一节的讲解，我们了解了 Node.js 的基本技术架构，本节进一步讲解 Node.js 的工作原理。

事件驱动

Node.js 采用一种独特的事件驱动思想，将 I/O 操作作为事件响应，而不是阻塞操作，从而实现了事件函数的快速执行与错误处理。由于 Node.js 能够采用异步非阻塞的方式访问文件系统、数据库、网络等外部资源，因此，它能够高效地处理海量的并发请求，极大地提高了应用程序的吞吐量。

单线程

Node.js 采用单线程模型，只需要轻量级的线程即可处理大量的请求。与多线程模型相比，这种模型消除了线程之间的竞争，使得程序的稳定性大幅度提升。在 Node.js 的单线程模型中，所有的 I/O 操作都被放在事件队列中，一旦事件出现，Node.js 就会依次处理它们。事实上，大多数网站的服务器端都不会做太多的计算，它们接收到请求以后，把请求交给其他服务来处理（如读取数据库），然后等待结果返回，再把结果发给客户端。因此，Node.js 针对这一事实采用了单线程模型来处理，它不会为每个接入请求分配一个线程，而是用一个主线程处理所有的请求，然后对 I/O 操作进行异步处理，避开了创建、销毁线程以及在线程间切换所需的开销和复杂性。

非阻塞I/O

在传统的 I/O 操作（例如，读取或写入磁盘文件，或者对远程服务器进行网络调用）中，当数据读取或写入操作发生时，程序会被阻塞，等数据读取或写入操作完成后才能进入下一步操作。但是，在 Node.js 中，所有的 I/O 操作都是非阻塞的，当某个 I/O 操作发生时，不是等待其执行完成才能进入下一步操作，而是直接回调相应的函数，从而实现了对外部资源的高效访问。

事件循环

Node.js 采用了一种特殊的设计方式—事件循环，它在工作线程池中维护一个任务队列，当接到请求后，将该请求作为一个事件放入这个队列中，然后继续接收其他请求，同时，Node.js 程序会不断地从工作队列中获取要执行的事件，并通过事件循环流程对其进行处理。图1.2给出了 Node.js 中事件循环的工作原理。

Figure 2. 图1.2 Node.js中事件循环的工作原理

事件循环的主要工作阶段如下。

计时器：处理由 setTimeout() 和 setInterval() 设置的回调。
回调：运行挂起的回调函数。
轮询：检索传入的 I/O 事件并运行与 I/O 相关的回调。
检查：完成轮询后立即运行回调。
关闭回调：关闭事件和回调。

无论是在 Linux 平台还是 Windows 平台上，Node.js 内部都是通过线程池来完成异步 I/O 操作的，而 libuv 针对不同平台的差异性实现了统一调用，因此 Node.js 的单线程仅仅是指 JavaScript 运行在单线程中，而并非 Node.js 是单线程的。

模块化设计

在 Node.js 中，采用了一种模块化的设计方式，按照功能模块将代码拆分成多个文件，使用 require 函数引入，从而提高了代码的复用率，同时也增强了代码的可维护性。另外，Node.js 提供了许多内置模块，如 http 模块、fs 模块等，能够帮助开发者快速搭建 Web 应用。

Node.js 的优缺点

作为一种能够同时进行前端和后端开发的 “年轻” 编程语言，Node.js 既有优点也有缺点，下面分别进行介绍。

Node.js 的优点如下。

前后端一体化开发：Node.js 使用 JavaScript 作为开发语言，使得前端和后端都可以使用同一种语言进行开发，从而提高开发效率和代码的可维护性。
丰富的模块库：Node.js 的生态系统非常丰富，拥有大量的第三方模块，使得开发者可以快速构建出各种类型的应用。
轻量级：Node.js 采用模块化开发方式，使得应用程序可以轻松地分解成小模块，从而提高了可维护性和可扩展性。
易部署：使用 Node.js 开发的应用程序可以轻松地部署到各种云端平台上。

Node.js 的缺点如下。

缺少严格的类型检查：Node.js 是基于 JavaScript 的，它没有严格的类型检查，这既是它的优点，也是它的缺点，优点是开发自由度很高，但缺点是程序出现问题时，检查调试会比较困难。
可靠性不如传统后端语言：由于 Node.js 的相对年轻和快速迭代，它在可靠性和稳定性方面，相对传统后端语言（如Java、C语言、C#等）还有一定的差距。
CPU 密集型任务表现不佳：由于 Node.js 的单线程模型，当需要进行大量的 CPU 密集型计算时，可能会出现性能瓶颈，导致程序的运行效率下降。

Node.js 能做什么

使用 Node.js 可以生成以下类型的应用程序。

HTTP Web 服务器。
微服务或无服务器 API 后端。
用于数据库访问和查询的驱动程序。
交互式命令行接口。
桌面应用程序。
实时物联网(IoT)客户端和服务器端。
适用于桌面应用程序的插件。
用于文件处理或网络访问的 Shell 脚本。
机器学习库和模型。

谁在使用 Node.js

前端最流行的 JavaScript 正在一步步走入后端，得益于 V8 引擎，Node.js 为 JavaScript 运行在后端提供了运行环境，因此，它正在吸引越来越多的公司来使用它，比如用它创建协作工具、聊天工具、社交媒体应用程序等。

据不完全统计，现在已经有越来越多的国际和国内知名公司在内部使用了 Node.js 技术，如流媒体视频网站 Netflix、在线支付平台 PayPal、社交平台 LinkedIn、Node.js 专业中文社区 CNode、购物平台淘宝网、腾讯官网等。