聊聊Node.js中的程序、執行緒、協程與並行模型

現在已成為構建高並行網路應用服務工具箱中的一員，何以 Node.js 會成為大眾的寵兒？本文將從程序、執行緒、協程、I/O 模型這些基本概念說起，為大家全面介紹關於 Node.js 與並行模型的這些事。

程序

我們一般將某個程式正在執行的範例稱之為程序，它是作業系統進行資源分配和排程的一個基本單元，一般包含以下幾個部分：

• 程式：即要執行的程式碼，用於描述程序要完成的功能；
• 資料區域：程序處理的資料空間，包括資料、動態分配的記憶體、處理常式的使用者棧、可修改的程式等資訊；
• 程序表項：為了實現程序模型，作業系統維護著一張稱為程序表的表格，每個程序佔用一個程序表項（也叫過程控制塊），該表項包含了程式計數器、堆疊指標、記憶體分配情況、所開啟檔案的狀態、排程資訊等重要的程序狀態資訊，從而保證程序掛起後，作業系統能夠正確地重新喚起該程序。

程序具有以下特徵：

• 動態性：程序的實質是程式在多道程式系統中的一次執行過程，程序是動態產生，動態消亡的；
• 並行性：任何程序都可以同其他程序一起並行執行；
• 獨立性：程序是一個能獨立執行的基本單位，同時也是系統分配資源和排程的獨立單位；
• 非同步性：由於程序間的相互制約，使程序具有執行的間斷性，即程序按各自獨立的、不可預知的速度向前推進。

需要注意的是，如果一個程式執行了兩遍，即便作業系統能夠使它們共用程式碼（即只有一份程式碼副本在記憶體中），也不能改變正在執行的程式的兩個範例是兩個不同的程序的事實。

在程序的執行過程中，由於中斷、CPU 排程等各種原因，程序會在下面幾個狀態中切換：

• 執行態：此刻程序正在執行，並佔用了 CPU；
• 就緒態：此刻程序已準備就緒，隨時可以執行，但因為其它程序正在執行而被暫時停止；
• 阻塞態：此刻程序處於阻塞狀態，除非某個外部事件（比如鍵盤輸入的資料已到達）發生，否則程序將不能執行。

通過上面的程序狀態切換圖可知，程序可以從執行態切換成就緒態和阻塞態，但只有就緒態才能直接切換成執行態，這是因為：

• 從執行態切換成就緒態是由程序排程程式引起的，因為系統認為當前程序已經佔用了過多的 CPU 時間，決定讓其它程序使用 CPU 時間；並且程序排程程式是作業系統的一部分，程序甚至感覺不到排程程式的存在；
• 從執行態切換成阻塞態是由程序自身原因（比如等待使用者的鍵盤輸入）導致程序無法繼續執行，只能掛起等待某個事件（比如鍵盤輸入的資料已到達）發生；當相關事件發生時，程序先轉換為就緒態，如果此時沒有其它程序執行，則立刻轉換為執行態，否則程序將維持就緒態，等待程序排程程式的排程。

執行緒

有些時候，我們需要使用執行緒來解決以下問題：

• 隨著程序數量的增加，程序之間切換的成本將越來越大，CPU 的有效使用率也會越來越低，嚴重情況下可能造成系統假死等現象；
• 每個程序都有自己獨立的記憶體空間，且各個程序之間的記憶體空間是相互隔離的，而某些任務之間可能需要共用一些資料，多個程序之間的資料同步就過於繁瑣。

關於執行緒，我們需要知道以下幾點：

• 執行緒是程式執行中的一個單一順序控制流，是作業系統能夠進行運算排程的最小單位，它包含在程序之中，是程序中的實際執行單位；
• 一個程序中可以包含多個執行緒，每個執行緒並行執行不同的任務；
• 一個程序中的所有執行緒共用程序的記憶體空間（包括程式碼、資料、堆等）以及一些資源資訊（比如開啟的檔案和系統訊號）；
• 一個程序中的執行緒在其它程序中不可見。

瞭解了執行緒的基本特徵，下面我們來聊一下常見的幾種執行緒型別。

核心態執行緒

核心態執行緒是直接由作業系統支援的執行緒，其主要特點如下：

• 執行緒的建立、排程、同步、銷燬由系統核心完成，但其開銷較為昂貴；
• 核心可將核心態執行緒對映到各個處理器上，能夠輕鬆做到一個處理器核心對應一個核心執行緒，從而充分地競爭與利用 CPU 資源；
• 僅能存取核心的程式碼和資料；
• 資源同步與資料共用效率低於程序的資源同步與資料共用效率。

使用者態執行緒

使用者態執行緒是完全建立在使用者空間的執行緒，其主要特點如下：

• 執行緒的建立、排程、同步、銷燬由使用者空間完成，其開銷非常低；
• 由於使用者態執行緒由使用者空間維護，核心根本感知不到使用者態執行緒的存在，因此核心僅對其所屬的程序做排程及資源分配，而程序中執行緒的排程及資源分配由程式自行處理，這很可能造成一個使用者態執行緒被阻塞在系統呼叫中，則整個程序都將會阻塞的風險；
• 能夠存取所屬程序的所有共用地址空間和系統資源；
• 資源同步與資料共用效率較高。

輕量級程序（LWP）

輕量級程序（LWP）是建立在核心之上並由核心支援的使用者執行緒，其主要特點如下：

• 使用者空間只能通過輕量級程序（LWP）來使用核心執行緒，可看作是使用者態執行緒與核心執行緒的橋接器，因此只有先支援核心執行緒，才能有輕量級程序（LWP）；

• 大多數輕量級程序（LWP）的操作，都需要使用者態空間發起系統呼叫，此係統呼叫的代價相對較高（需要在使用者態與核心態之間進行切換）；

• 每個輕量級程序（LWP）都需要與一個特定的核心執行緒關聯，因此：

  • 與核心執行緒一樣，可在全系統範圍內充分地競爭與利用 CPU 資源；
  • 每個輕量級程序（LWP）都是一個獨立的執行緒排程單元，這樣即使有一個輕量級程序（LWP）在系統呼叫中被阻塞，也不影響整個程序的執行；
  • 輕量級程序（LWP）需要消耗核心資源（主要指核心執行緒的棧空間），這樣導致系統中不可能支援大量的輕量級程序（LWP）；

• 能夠存取所屬程序的所有共用地址空間和系統資源。

小結

上文我們對常見的執行緒型別（核心態執行緒、使用者態執行緒、輕量級程序）進行了簡單介紹，它們各自有各自的適用範圍，在實際的使用中可根據自己的需要自由地對其進行組合使用，比如常見的一對一、多對一、多對多等模型，由於篇幅限制，本文對此不做過多介紹，感興趣的同學可自行研究。

協程

協程（Coroutine），也叫纖程（Fiber），是一種建立線上程之上，由開發者自行管理執行排程、狀態維護等行為的一種程式執行機制，其特點主要有：

• 因執行排程無需上下文切換，故具有良好的執行效率；
• 因執行在同一執行緒，故不存線上程通訊中的同步問題；
• 方便切換控制流，簡化程式設計模型。

在 JavaScript 中，我們經常用到的 async/await 便是協程的一種實現，比如下面的例子：

function updateUserName(id, name) {
  const user = getUserById(id);
  user.updateName(name);
  return true;
}

async function updateUserNameAsync(id, name) {
  const user = await getUserById(id);
  await user.updateName(name);
  return true;
}

上例中，函數 updateUserName 和 updateUserNameAsync 內的邏輯執行順序是：

• 呼叫函數 getUserById 並將其返回值賦給變數 user；
• 呼叫 user 的 updateName 方法；
• 返回 true 給呼叫者。

兩者的主要區別在於其實際執行過程中的狀態控制：

• 在函數 updateUserName 的執行過程中，按照前文所述的邏輯順序依次執行；
• 在函數 updateUserNameAsync 的執行過程中，同樣按照前文所述的邏輯順序依次執行，只不過在遇到 await 時，updateUserNameAsync 將會被掛起並儲存掛起位置當前的程式狀態，直到 await 後面的程式片段返回後，才會再次喚醒 updateUserNameAsync 並恢復掛起前的程式狀態，然後繼續執行下一段程式。

通過上面的分析我們可以大膽猜測：協程要解決的並非是程序、執行緒要解決的程式並行問題，而是要解決處理非同步任務時所遇到的問題（比如檔案操作、網路請求等）；在 async/await 之前，我們只能通過回撥函數來處理非同步任務，這很容易使我們陷入回撥地獄，生產出一坨坨屎一般難以維護的程式碼，通過協程，我們便可以實現非同步程式碼同步化的目的。

需要牢記的是：協程的核心能力是能夠將某段程式掛起並維護程式掛起位置的狀態，並在未來某個時刻在掛起的位置恢復，並繼續執行掛起位置後的下一段程式。

I/O 模型

一個完整的 I/O 操作需要經歷以下階段：

• 使用者進（線）程通過系統呼叫向核心發起 I/O 操作請求；
• 核心對 I/O 操作請求進行處理（分為準備階段和實際執行階段），並將處理結果返回給使用者進（線）程。

我們可將 I/O 操作大致分為阻塞 I/O、非阻塞 I/O、同步 I/O、非同步 I/O 四種型別，在討論這些型別之前，我們先熟悉下以下兩組概念（此處假設服務 A 呼叫了服務 B）：

• 阻塞/非阻塞：

  • 如果 A 只有在接收到 B 的響應之後才返回，那麼該呼叫為阻塞呼叫；
  • 如果 A 呼叫 B 後立即返回（即無需等待 B 執行完畢），那麼該呼叫為非阻塞呼叫。

• 同步/非同步：

  • 如果 B 只有在執行完之後再通知 A，那麼服務 B 是同步的；
  • 如果 A 呼叫 B 後，B 立刻給 A 一個請求已接收的通知，然後在執行完之後通過回撥的方式將執行結果通知給 A，那麼服務 B 就是非同步的。

很多人經常將阻塞/非阻塞與同步/非同步搞混淆，故需要特別注意：

• 阻塞/非阻塞針對於服務的呼叫者而言；
• 同步/非同步針對於服務的被呼叫者而言。

瞭解了阻塞/非阻塞與同步/非同步，我們來看具體的 I/O 模型。

阻塞 I/O

定義：使用者進（線）程發起 I/O 系統呼叫後，使用者進（線）程會被立即阻塞，直到整個 I/O 操作處理完畢並將結果返回給使用者進（線）程後，使用者進（線）程才能解除阻塞狀態，繼續執行後續操作。

特點：

• 由於該模型會阻塞使用者進（線）程，因此該模型不佔用 CPU 資源；
• 在執行 I/O 操作的時候，使用者進（線）程不能進行其它操作；
• 該模型僅適用於並行量小的應用，這是因為一個 I/O 請求就能阻塞進（線）程，所以為了能夠及時響應 I/O 請求，需要為每個請求分配一個進（線）程，這樣會造成巨大的資源佔用，並且對於長連線請求來說，由於進（線）程資源長期得不到釋放，如果後續有新的請求，將會產生嚴重的效能瓶頸。

非阻塞 I/O

定義：

• 使用者進（線）程發起 I/O 系統呼叫後，如果該 I/O 操作未準備就緒，該 I/O 呼叫將會返回一個錯誤，使用者進（線）程也無需等待，而是通過輪詢的方式來檢測該 I/O 操作是否就緒；
• 操作就緒後，實際的 I/O 操作會阻塞使用者進（線）程直到執行結果返回給使用者進（線）程。

特點：

• 由於該模型需要使用者進（線）程不斷地詢問 I/O 操作就緒狀態（一般使用 while 迴圈），因此該模型需佔用 CPU，消耗 CPU 資源；
• 在 I/O 操作就緒前，使用者進（線）程不會阻塞，等到 I/O 操作就緒後，後續實際的 I/O 操作將阻塞使用者進（線）程；
• 該模型僅適用於並行量小，且不需要及時響應的應用。

同（異）步 I/O

使用者進（線）程發起 I/O 系統呼叫後，如果該 I/O 呼叫會導致使用者進（線）程阻塞，那麼該 I/O 呼叫便為同步 I/O，否則為 非同步 I/O。

判斷 I/O 操作同步或非同步的標準是使用者進（線）程與 I/O 操作的通訊機制，其中：

• 同步情況下使用者進（線）程與 I/O 的互動是通過核心緩衝區進行同步的，即核心會將 I/O 操作的執行結果同步到緩衝區，然後再將緩衝區的資料複製到使用者進（線）程，這個過程會阻塞使用者進（線）程，直到 I/O 操作完成；
• 非同步情況下使用者進（線）程與 I/O 的互動是直接通過核心進行同步的，即核心會直接將 I/O 操作的執行結果複製到使用者進（線）程，這個過程不會阻塞使用者進（線）程。

Node.js 的並行模型

Node.js 採用的是單執行緒、基於事件驅動的非同步 I/O 模型，個人認為之所以選擇該模型的原因在於：

• JavaScript 在 V8 下以單執行緒模式執行，為其實現多執行緒極其困難；
• 絕大多數網路應用都是 I/O 密集型的，在保證高並行的情況下，如何合理、高效地管理多執行緒資源相對於單執行緒資源的管理更加複雜。

總之，本著簡單、高效的目的，Node.js 採用了單執行緒、基於事件驅動的非同步 I/O 模型，並通過主執行緒的 EventLoop 和輔助的 Worker 執行緒來實現其模型：

• Node.js 程序啟動後，Node.js 主執行緒會建立一個 EventLoop，EventLoop 的主要作用是註冊事件的回撥函數並在未來的某個事件迴圈中執行；
• Worker 執行緒用來執行具體的事件任務（在主執行緒之外的其它執行緒中以同步方式執行），然後將執行結果返回到主執行緒的 EventLoop 中，以便 EventLoop 執行相關事件的回撥函數。

需要注意的是，Node.js 並不適合執行 CPU 密集型（即需要大量計算）任務；這是因為 EventLoop 與 JavaScript 程式碼（非非同步事件任務程式碼）執行在同一執行緒（即主執行緒），它們中任何一個如果執行時間過長，都可能導致主執行緒阻塞，如果應用程式中包含大量需要長時間執行的任務，將會降低伺服器的吞吐量，甚至可能導致伺服器無法響應。

總結

Node.js 是前端開發人員現在乃至未來不得不面對的技術，然而大多數前端開發人員對 Node.js 的認知僅停留在表面，為了讓大家更好地理解 Node.js 的並行模型，本文先介紹了程序、執行緒、協程，接著介紹了不同的 I/O 模型，最後對 Node.js 的並行模型進行了簡單介紹。雖然介紹 Node.js 並行模型的篇幅不多，但筆者相信萬變不離其宗，掌握了相關基礎，再深入理解 Node.js 的設計與實現必將事半功倍。

最後，本文若有紕漏之處，還望大家能夠指正，祝大家快樂編碼每一天。

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