nodejs 异步架构

nodejs的核心之一就是非阻塞的异步IO，于是想知道它是怎么实现的，挖了下nodejs源码，找到些答案，在此跟大家分享下。首先，我用了一段js代码test-fs-read.js做测试，代码如下：

var path = require('path'),
 fs = require('fs'),
 filepath = path.join(__dirname, 'experiment.log'),
 fd = fs.openSync(filepath, 'r');
 
 fs.read(fd, 12*1024*1024, 0, 'utf-8', function(err, str, bytesRead) {
     console.log('[main thread] execute read callback');
 });
 console.log('[main thread] execute operation after read');

这段代码的异步IO操作就在fs.read的调用上，读取的experiment.log是一个12M的文本文件，所谓的异步，大家大概能想得到运行时会先打印 [main thread] execute operation after read 然后打印回调函数中的 [main thread] execute read callback
但大家也许还听说过，nodejs是单线程的，那又是怎么实现异步IO的呢？读文件操作是在哪里执行的呢？读完又是怎么调用回调函数的呢？猜想读文件可能是在另一个线程中完成的，读完后通过事件通知nodejs执行回调。为了一探究竟，debug了一把nodejs和libeio源码，重新编译后，运行测试代码node test-fs-read.js，输出如下：
 
可以看到，nodejs的IO操作是通过调用libeio库完成的，debug从fs.read开始，js代码经过v8编译后，fs.read会调用node_file.cc中的Read方法，测试代码的运行经历了以下步骤：
1 node_file.cc中的Read方法调用libeio（eio.c）的eio_read， read请求被放入请求队列req_queue中。
2 主线程创建了1个eio线程，此时主线程的read调用返回。
3 eio线程从req_queue中取出1个请求，开始执行read IO
4 主线程继续执行read调用后的其它操作。
5 主线程poll eio，从响应队列res_queue取已经完成的请求，此时res_queue为空，主线程stop poll
6 eio线程完成了read IO，read请求被放入响应队列res_queue中，并且向主线程发送libev事件want_poll（通过主线程初始化eio时提供的回调函数）。
7 eio线程从req_queue中取下一个请求，此时已经没有请求。
8 主线程响应want_poll事件，从res_queue中取出1个请求，取出请求后res_queue变为空，主线程发送done_poll事件。
9 主线程执行请求的callback函数。

还需要说明的是，当同时有多个IO请求时，主线程会创建多个eio线程，以提高IO请求的处理速度。 为了更清晰的看到nodejs的IO执行过程，图示如下，序号仅用来标示流程，与上述步骤序号并无对应关系。 最后总结几条，不当之处还请大家指正。1 nodejs通过libev事件得到IO执行状态，而不是轮询，提高了CPU利用率。 2 虽然nodejs是单线程的，但它的IO操作是多线程的，多个IO请求会创建多个libeio线程（最多4个），使通常情况的IO操作性能得到提高。3 但是当IO操作情况比较复杂的时候，有可能造成线程竞争状态，导致IO性能降低；而且libeio最多创建4个线程，当同时有大量IO请求时，实际性能有待测量。另外，由于每个IO请求对应一个libeio的数据结构，当同时有大量IO操作驻留在系统中时候，会增加内存开销。4 Libeio为了实现异步IO功能，带来了额外的管理，当IO数据量比较小的时候，整体性能不一定比同步IO好。