Node.js 初识

1. Node.js 诞生史

Node.js之父：Ryan Dahl（瑞安·达尔）

• 并非科班出身的开发者，在2004年在纽约的罗彻斯特大学数学系读博士。
• 2006年退学，来到智利的Valparaiso小镇。
• 期间曾熬夜做了一些不切实际的研究，例如如何通过云进行通信。
• 偶然的机会，走上了编程之路，生活方式变为接项目，然后去客户的地方工作。
• 工作中遇到了主流服务器的瓶颈问题，尝试着自己去解决，费尽周折没有办法。
• 2008年Google公司Chrome V8引擎横空出世，JavaScript脚本语言的执行效率得到质的提升，他的想法与Chrome V8引擎碰撞出激烈的火花。
• 2009年的2月，按新的想法他提交了项目的第一行代码，这个项目的名字最终被定名为 “node”。
• 2009年5月，正式向外界宣布他做的这个项目。
• 2009年底，Ryan Dahl在柏林举行的JSConf EU会议上发表关于Node.js的演讲，之后Node.js逐渐流行于世。
• Ryan Dahl于2010年加入Joyent公司，全职负责Node.js项目的开发。此时Node.js项目已经从个人项目变成一个公司组织下的项目。

2. Node.js 是什么

Node.js 是一个基于 Chrome V8 引擎的 JavaScript 运行环境。

传统的 JavaScript 只能运行在浏览器端，脱离浏览器不能运行，也就不能操作本地的文件或者创建文件，也不能进行网络编程，Node.js 的出现打破了这一局面。
Node.js 编写的代码还是 JS，所以开发者需要利用 Chrome V8 来运行 JS。Node.js 借助了 C/C++ 中的 libuv 库来实现文件读取和事件循环。我们不必深挖其中的原理，只需要知道如何使用就行，Node.js 已经为我们打包好了相关接口。

3. Node.js 的特点

3.1 优点

• 异步非阻塞的 I/O（I/O线程池）
• 特别适用于 I/O 密集型应用（对比传统 Java 服务器）
• 事件循环机制
• 单线程（成也单线程，败也单线程）
• 跨平台

解释：

• 异步非阻塞的 I/O（I/O线程池）
  I/O是指inout/ouput，这里是指文件的读写，数据库的操作等等。同步会造成阻塞问题，按照顺序来进行操作。异步是指做这一件事的时候可以做其他事情，非阻塞。
  I/O线程池：让一个线程随时随地处于待命状态，以便下次更加快速的执行任务。
• 特别适用于 I/O 密集型应用
  某个项目需要频繁进行I/O操作，就成为I/O 密集型应用。
• 事件循环机制
  Node.js 脱离了浏览器，浏览器有事件循环机制，但 Node.js 也提供了自己的独有的一个事件循环机制。
• 单线程（成也单线程，败也单线程）
  单线程要想实现异步，就必须要有自己的 “事件循环模型”。
• 跨平台
  • JS 跨平台：js——js引擎——由谷歌等设计
  • java跨平台：java——jvm虚拟机
  • Node.js 也跨平台

3.2 不足之处

• 回调函数嵌套太多、太深（俗称回调地狱）
• 单线程，处理不好CPU 密集型任务

CPU密集型与IO密集型：

• CPU 密集型：需要过多判断，要做的事情不明确
• IO 密集型：事情明确

简单 web 交互模型：

Node.js 和 Java 服务器对比：

• Java 服务器可以有多 “服务员” ，增加服务器空间来实现高并发，成本也高，适用于大企业。
• Node.js 的服务器只有一个 “服务员”，每次收到任务请求的时候，一对一的服务，向数据库请求数据，通过回调函数实现高并发。适用于 I/O 密集型应用，适用于 个人或中小型企业或者微信小程序搭建服务器。
• 所以对于 CPU 密集型应用，会频繁 “点餐”，这时候一对一的 “Node” 就废掉了。

4. Node.js 的应用场景

• Web服务API，比如RESTful API（本身没有太多的逻辑，只需要请求API，组织数据进行返回即可）
• 服务器渲染页面，提升速度
• 后端的 Web 服务，例如跨域、服务器端的请求

5. Node 中函数的特点

在 Node.js 中，每个模块（即每个 JavaScript 文件）都会被一个外层函数包裹。这种机制为模块化开发提供了支持，并且在某种程度上保护了变量的作用域。

5.1 外层函数的作用

Node.js 在每个模块的外层包裹了一个函数，该函数有如下结构：

function (exports, require, module, __filename, __dirname) {
    // 模块代码
}

• exports：用于支持 CommonJS 模块化的导出语法。
• require：用于支持 CommonJS 模块化的引入语法。
• module：用于支持 CommonJS 模块化的导出语法。
• __filename：当前运行文件的绝对路径。
• __dirname：当前运行文件所在文件夹的绝对路径。

5.2 输出外层函数

可以通过 arguments.callee 来获取函数自身，从而输出外层函数的内容：

function demo() {
    // 输出函数本身
    console.log(arguments.callee.toString());
}

demo();

在 Node.js 中执行以下代码，可以获取到外层函数的结构：

console.log(arguments.callee.toString());

执行后，得到类似以下结构的外层函数：

function (exports, require, module, __filename, __dirname) {
    // 模块内容
}

5.3 直接使用外层函数参数

Node.js 允许我们在模块内部直接使用这些参数：

console.log(__filename); // 输出当前文件的绝对路径
console.log(__dirname);  // 输出当前文件所在目录的绝对路径

5.4 外层函数的作用

• 模块化支持：提供模块化语法的支持，使得每个文件可以独立成为一个模块。
• 作用域保护：隐藏模块内部的实现细节，避免变量污染全局作用域，从而提高安全性。

6. Node 中的 global

在 Node.js 中，全局对象 global 类似于浏览器中的 window 对象，但在服务器端环境中有其独特之处。

6.1 Node 的组成

在浏览器中，JavaScript 由以下三部分组成：

• BOM（Browser Object Model）：浏览器对象模型，提供与浏览器交互的能力。
• DOM（Document Object Model）：文档对象模型，允许对 HTML 和 XML 文档进行动态访问和操作。
• ECMAScript：JavaScript 语言的核心规范。

在 Node.js 中，JavaScript 环境有以下特点：

• 没有 BOM：因为服务器不需要与浏览器交互。
• 没有 DOM：因为没有浏览器窗口，也就没有文档对象模型。
• 支持 ECMAScript：几乎包含了所有的 ECMAScript 规范。
• 没有 window 对象：Node.js 使用 global 作为全局对象。

6.2 global 的一些常用属性

Node.js 提供了 global 对象，用于全局变量和函数的访问。以下是一些常用的全局属性和方法：

console.log(global);

• setInterval：设置循环定时器。
• clearInterval：清空循环定时器。
• setTimeout：设置延迟定时器。
• clearTimeout：清空延迟定时器。
• setImmediate：设置立即执行函数。
• clearImmediate：清空立即执行函数。

6.3 示例代码

以下是一个简单的示例，演示如何使用 global 对象设置和清除定时器：

// 设置一个每秒执行一次的循环定时器
const intervalId = setInterval(() => {
    console.log('每秒执行一次');
}, 1000);

// 3秒后清除定时器
setTimeout(() => {
    clearInterval(intervalId);
    console.log('定时器已清除');
}, 3000);

// 设置一个立即执行函数
const immediateId = setImmediate(() => {
    console.log('立即执行函数');
});

// 清除立即执行函数
clearImmediate(immediateId); // 由于被清除，这行不会输出任何内容

6.4 global 与 this 的区别

• 在 Node.js 中，global 是全局对象，类似于浏览器中的 window，但更适合服务器端应用。
• 在模块中，this 默认指向模块的 exports 对象，而不是 global，这与浏览器中的行为不同。

console.log(this); // 输出：{}
console.log(global === this); // 输出：false

总结

Node.js 的模块化特性和全局对象 global 为服务器端开发提供了强大的工具。通过外层函数的封装，Node.js 实现了模块化开发和作用域隔离，提高了代码的安全性和可维护性。同时，global 对象提供了一些常用的全局方法，使得开发者可以方便地处理定时任务和立即执行函数。了解这些特性和工具，可以帮助开发者更好地利用 Node.js 开发高效的服务器端应用。

Node.js 的事件循环模型是其高性能和非阻塞 I/O 的核心机制。它通过事件驱动架构，在单线程中高效处理多任务。以下是 Node.js 事件循环模型的详细介绍。

7. Node.js 中的事件循环模型

概览

Node.js 的事件循环模型分为 6 个阶段，每个阶段处理特定类型的事件和回调函数。这些阶段按顺序循环执行。

   ┌───────────────────────────┐
┌─>│           timers          │
│  └─────────────┬─────────────┘
│  ┌─────────────┴─────────────┐
│  │     pending callbacks     │
│  └─────────────┬─────────────┘
│  ┌─────────────┴─────────────┐
│  │       idle, prepare       │
│  └─────────────┬─────────────┘      ┌───────────────┐
│  ┌─────────────┴─────────────┐      │   incoming:   │
│  │           poll            │<─────┤  connections, │
│  └─────────────┬─────────────┘      │   data, etc.  │
│  ┌─────────────┴─────────────┐      └───────────────┘
│  │           check           │
│  └─────────────┬─────────────┘
│  ┌─────────────┴─────────────┐
└──┤      close callbacks      │
   └───────────────────────────┘

阶段描述

1. Timers 阶段

• 功能：执行 setTimeout 和 setInterval 设定的回调。
• 过程：
  1. 计时器开始计时。
  2. 到达计时器设定的时间后，执行相应的回调函数。

2. Pending Callbacks 阶段

• 功能：处理一些系统操作（如 TCP 错误类型）的回调。
• 说明：此阶段主要用于处理延迟执行的 I/O 回调。

3. Idle, Prepare 阶段

• 功能：仅用于内部系统的准备工作。
• 说明：在事件循环的这部分通常不需要开发者关注。

4. Poll 阶段

• 功能：获取新的 I/O 事件，执行与 I/O 相关的回调。
• 过程：
  • 如果有回调需要执行：
    • 从回调队列中取出回调函数，依次执行，直到队列为空或达到系统限制。
  • 如果回调队列为空：
    • 如果存在 setImmediate 回调，则进入 Check 阶段。
    • 如果没有 setImmediate 回调，则在此阶段等待新的 I/O 事件。
    • 如果定时器到点，则进入 Check 阶段。

5. Check 阶段

• 功能：执行 setImmediate 设定的回调。
• 说明：专门用于处理 setImmediate 的回调。

6. Close Callbacks 阶段

• 功能：执行一些关闭事件的回调，如 socket.on('close', ...)。
• 说明：在此阶段处理关闭事件的回调。

特殊情况

• process.nextTick()：
  • 用于在当前操作完成后立即执行的回调。
  • 优先级比事件循环的其他阶段高，被称为“VIP 回调”。

setTimeout vs setImmediate

• 当没有主线程阻塞时，setTimeout 和 setImmediate 的执行顺序不确定，取决于事件循环的执行时间。
• 当存在主线程任务时，setTimeout 会优先于 setImmediate 执行。

以下是一个示例，展示了不同回调的执行顺序：

// 延迟执行函数
setTimeout(() => {
    console.log('setTimeout 指定的回调');
});

// 立即执行函数（回调）
setImmediate(() => {
    console.log('我是 setImmediate 执行的回调');
});

// 立即执行函数（VIP 回调）
process.nextTick(() => {
    console.log('process.nextTick 指定的回调函数');
});

console.log('我是主线程上的代码');

输出结果

我是主线程上的代码
process.nextTick 指定的回调函数
setTimeout 指定的回调
我是 setImmediate 执行的回调

解释

• 主线程代码：首先执行主线程上的代码，输出 "我是主线程上的代码"。
• process.nextTick()：在主线程代码执行完后立即执行，输出 "process.nextTick 指定的回调函数"。
• setTimeout：由于定时器已经到达，因此在 Timers 阶段执行，输出 "setTimeout 指定的回调"。
• setImmediate：在 Check 阶段执行，输出 "我是 setImmediate 执行的回调"。

总结

Node.js 的事件循环模型通过多个阶段处理不同类型的事件和回调，确保在单线程环境中高效处理 I/O 操作。通过理解事件循环的工作原理，开发者可以更好地优化代码，提升应用性能。process.nextTick() 和 setImmediate 等工具允许开发者精确控制代码的执行顺序，在实际应用中具有重要意义。