“异步”一词的大规模流行是在Web 2.0的浪潮中，它与Javascript和AJAX一起席卷了网络。但是在大多数高级编程语言中，异步是罕见的。PHP最能体现这个特点：它不仅屏蔽了异步，而且不提供多线程，PHP是以同步阻塞的方式执行的。这一优势有利于程按顺序编写业务逻辑，但在复杂的网络应用中，阻塞导致其并发性较差。

在服务器端，I/O非常昂贵，而分布式I/O更贵。只有后端能够快速响应资源，前端体验才能变得更好。Node.js是第一个以异步为主要编程方法和设计理念的平台。异步I/O伴随着事件驱动和单线程，构成了Node的基调。本文将介绍Node如何实现异步输入输出

1.基本概念

“异步”和“非阻塞”听起来是一回事，从实际效果来看，两者都达到了并行的目的。但就计算机内核的I/O而言，只有阻塞和非阻塞两种方式。因此，异步/同步和阻塞/非阻塞实际上是两回事。

1.1阻塞输入/输出和非阻塞输入/输出

阻塞I/O的一个特点是，在调用之后，必须等到所有操作都在系统内核级完成之后，调用才会结束。以读取磁盘上的文件为例，系统内核完成磁盘寻道，读取数据并将数据复制到内存中，然后调用结束。

阻塞I/O导致CPU等待I/O，浪费等待时间，充分利用CPU的处理能力。非阻塞I/O的特点是调用后会立即返回，返回后可以用CPU时间片处理其他事务。因为完整的I/O没有完成，所以立即返回的数据不是业务层期望的数据，而只是当前的调用状态。为了获得完整的数据，应用程序需要反复调用I/O操作来确认是否完成(即轮询)。轮询技术如下：

1.read:通过反复调用检查I/O状态是性能最低的最原始的方式。2 .选择：提高读取，判断文件描述符上的事件状态。缺点是文件描述符的最大数量有限。3.poll:对于select的改进，采用链表来避免最大数量限制，但当描述符较多时，性能仍然很低。4.Epall:如果进入轮询时没有检测到I/O事件，它将休眠，直到事件发生。这是Linux下最高效的I/O事件通知机制

轮询满足了无阻塞I/O的需求，保证了完整的数据采集，但对于应用来说只能算是一种同步，因为还是需要等待I/O完全返回。在等待期间，CPU或者用于遍历文件描述符的状态，或者用于休眠并等待事件发生。

1.2理想与现实之间的异步I/O

一个完美的异步I/O应该是一个应用发起的非阻塞调用，无需轮询就可以直接处理下一个任务，只需要在I/O完成后通过信号或回调将数据传递给应用即可。

现实中，异步I/O在不同的操作系统下有不同的实现，比如*nix平台采用用户自定义线程池，Windows平台采用IOCP模型。Node提供libuv作为抽象封装层来封装平台兼容性判断，保证上下平台之间异步I/O的实现是独立的。另外需要强调的是，我们经常提到Node是单线程的，这仅仅意味着Javascript是在单线程中执行的，实际上Node内部还有另一个用于完成I/O任务的线程池。

2.节点的异步输入输出

2.1事件周期

Node的执行模型实际上是一个事件循环。当进程开始时，Node会创建一个无限循环，每次执行循环体时，它都会变成一个Tick。每个Tick过程都是检查是否有等待处理的事件，如果有，取出事件及其相关的回调函数，如果有关联的回调函数，执行它们，然后进入下一个循环。如果没有更多事件要处理，请退出该过程。

2.2观察员

每个赛事周期都有几个观察员。请这些观察员判断是否有需要处理的事件。事件周期是典型的生产者/消费者模型。在Node中，事件主要来自网络请求、文件I/O等。这些事件有对应的网络I/O观察器、文件I/O观察器等。事件循环从观察器中取出事件并处理它们。

2.3请求对象

在从Javascript调用到内核执行I/O操作的转换过程中，有一个中间产品叫做请求对象。以Windows下最简单的fs.open()方法(打开一个文件，根据指定的路径和参数获取文件描述符)为例。从JS调用到内置模块通过libuv进行系统调用，实际调用的是uv_fs_open()方法。在调用过程中，创建了一个FSReqWrap请求对象，并将JS层传入的参数和方法封装在这个请求对象中，其中我们最关注的回调函数设置在这个对象的oncompete _ sym属性上。包装对象后，将FSReqWrap对象推入线程池等待执行。

此时，JS调用立即返回，JS线程可以继续执行后续操作。当前的输入/输出操作正在线程池中等待执行，这完成了异步调用的第一阶段。

2.4执行回调

回调通知是异步I/O的第二阶段，调用线程池中的I/O操作后，将存储得到的结果，然后通知IOCP当前对象操作已经完成，线程返回线程池。在每次Tick执行中，事件循环的I/O观察器都会调用相关方法来检查线程池中是否有已执行的请求。如果有，请求对象将被添加到输入/输出观察器的队列中，然后被视为事件。

3.无输入输出的异步应用编程接口

还有一些与Node中的I/O无关的异步API，比如定时器setTimeout()、setInterval()、process.nextTick()和setImmdiate()等，可以立即异步执行任务等。

3.1定时器应用编程接口

SetTimeout()和setInterval()具有相同的浏览器API，它们的实现原理类似于异步I/O，只是不需要I/O线程池。通过调用计时器API创建的计时器将被插入到计时器观察器中的红黑树中。每个事件周期的嘀嗒声会迭代地从红黑树中取出计时器对象，并检查是否超过了计时时间。如果超过，将形成一个事件，回调函数将立即执行。定时器的主要问题是其计时时间不是很准确(毫秒级，在容差范围内)。

3.2立即异步执行任务API

在Node出现之前，很多人可能会这样调用它，以便立即异步执行任务：复制代码如下： settimeout(function(){//todo }，0)；

由于事件周期的特点，定时器的精度不够，需要红黑树采用定时器，各种操作的时间复杂度为O(log(n))。但是process.nextTick()方法只会把回调函数放在队列中，在下一轮Tick中取出来执行，用O(1)的复杂度效率更高。

此外，还有一个类似于上述方法的setImmediate()方法，它延迟了回调函数。然而，前者的优先级高于后者，因为事件循环对观察者的检查是有顺序的。另外，前者的回调函数保存在一个数组中，数组中的所有回调函数都会在每一轮Tick中执行；后者的结果存储在链表中，每轮Tick只执行一个回调函数。

4.事件驱动的高性能服务器

上一节以fs.open()为例说明了如何实现异步I/O.事实上，Node还将异步I/O应用于网络套接字的处理，这也是Node构建Web服务器的基础。经典服务器型号有：

1.同步模式：一次只能处理一个请求，其他请求处于等待状态。2.每个进程/请求：每个请求启动一个进程，但是系统资源有限，不可伸缩。3.每个线程/请求：为每个请求启动一个线程。线程比进程轻，但每个线程都占用一定的内存。当大型并发请求到来时，内存将很快耗尽

著名的Apache采用了按线程/按请求的格式，这就是为什么很难处理高并发的原因。节点以事件驱动的方式处理请求，可以节省创建和销毁线程的开销。同时，当操作系统调度任务时，上下文切换的成本非常低，因为线程更少。即使在大量连接的情况下，节点也可以有序地处理请求。

知名服务器Nginx放弃多线程，采用与Node相同的事件驱动模式。现在Nginx有潜力取代Apache。Nginx是纯C写的，性能很高，但只适合作为反向代理或者负载均衡的Web服务器。Node可以构建与Nginx相同的功能，也可以处理各种特定的服务，自身性能也不错。在实际项目中，我们可以结合各自的点来实现应用的最佳性能。