浅谈Node.js 特点与应用场景

墨蓝 2022-11-20 05:57 202阅读 0赞

## 前言 ##

如果你有一定的前端基础，比如 `HTML、CSS、JavaScript、jQuery`；那么，`Node.js` 能让你以最低的成本快速过渡成为一个全栈工程师(我称这个全栈为伪全栈，我认为的全栈也要精通数据库，不喜勿喷)，从而触及后端和移动端的开发。当然，Node.js也不是万能的、也不是说学了它就可以完全取代后端的其他开发语言，它有自己的使命和擅长的应用领域。

除此之外现在非常火热的 `Vue.js，React.js` ，等很多数据层动态交互优先选用了`Node.js`，一些比较流行的打包工具也是如此；综上，为你为什么要学习它又增加了一大理由。

`Node.js` 和传统的后端语言（比如PHP、JAVA等）相比，各有优缺点，各自擅长领域和侧重点不同，因此，各有千秋、各有需求市场。`Node.js` 让我们进行后端开发多了一种便捷的手段。所以大家也不要总说哪些语言是最好的，各有各的使命，嘿嘿。

## Node.js的特点 ##

#### 非阻塞异步io ####

例如，当在访问数据库取得数据的时候，需要一段时间。在传统的单线程处理机制中，在执行了访问数据库代码之后，整个线程都将暂停下来，等待数据库返回结果，才能执行后面的代码。也就是说，`I/O`阻塞了代码的执行，极大地降低了程序的执行效率。

由于 Node.js 中采用了非阻塞型`I/O`机制，因此在执行了访问数据库的代码之后，将立即转而执行其后面的代码，把数据库返回结果的处理代码放在回调函数中，从而提高了程序的执行效率。

当某个`I/O`执行完毕时，将以事件的形式通知执行`I/O`操作的线程，线程执行这个事件的回调函数。为了处理异步`I/O`，线程必须有事件循环，不断的检查有没有未处理的事件，依次予以处理。

阻塞模式下，一个线程只能处理一项任务，要想提高吞吐量必须通过多线程。而非阻塞模式下，一个线程永远在执行计算操作，这个线程的CPU核心利用率永远是100%。所以，这是一种特别有哲理的解决方案：与其人多，但是好多人闲着；还不如一个人玩命，往死里干活儿。

#### 单线程 ####

在 Java、PHP 或者 .net 等服务器端语言中，会为每一个客户端连接创建一个新的线程。而每个线程需要耗费大约2MB内存。也就是说，理论上，一个8GB内存的服务器可以同时连接的最大用户数为4000个左右。要让Web应用程序支持更多的用户，就需要增加服务器的数量，而 Web 应用程序的硬件成本当然就上升了。

Node.js不为每个客户连接创建一个新的线程，而仅仅使用一个线程。当有用户连接了，就触发一个内部事件，通过非阻塞`I/O、事件驱动机制`，让 Node.js 程序宏观上也是并行的。使用 Node.js ，一个8GB内存的服务器，可以同时处理超过4万用户的连接。

另外，单线程带来的好处，操作系统完全不再有线程创建、销毁的时间开销。但是单线程也有很多弊端，会在 Node.js 的弊端详细讲解，请继续看。

#### 事件驱动 ####

在 `Node.js` 中，客户端请求建立连接，提交数据等行为，会触发相应的事件。在 `Node.js` 中，在一个时刻，只能执行一个事件回调函数，但是在执行一个事件回调函数的中途，又有其他事件产生，可以转而处理其他事件（比如，又有新用户连接了），然后返回继续执行原事件的回调函数，这种处理机制，称为“**事件环**”机制。

`Node.js` 底层是 `C++`（`V8`也是C++写的）。底层代码中，近半数都用于事件队列、回调函数队列的构建。用事件驱动来完成服务器的任务调度，这是鬼才才能想到的。针尖上的舞蹈，用一个线程，担负起了处理非常多的任务的使命。

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注意这里的事件循环，也可以说是 `Node.js` 的一个精髓所在，下面引用一段 `Node.js` 官网的内容

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

引用Node官网中的一段内容:

> 注意：每个框将被称为事件循环的“阶段”。每个阶段都有一个要执行的回调`FIFO`队列。虽然每个阶段都以其自己的方式特殊，但通常情况下，当事件循环进入给定阶段时，它将执行特定于该阶段的任何操作，然后在该阶段的队列中执行回调，直到队列耗尽或最大回调数量为止已执行。当队列耗尽或达到回调限制时，事件循环将移至下一阶段，依此类推。关于事件循环是一个核心点，经常会被面试官考具体执行输出的问题，大家可以看我的这篇文章

#### 跨平台 ####

起初，`Node` 只能在 `Linux` 平台上运行。后来随着 `Node`的发展，微软注意到了它的存在，并投入了一个团队帮助 `Node` 实现 `Windows` 平台的兼容，在`v0.6.0`版本发布时，`Node` 已经能够直接在 `Window` 平台运行了。Node 是基于`libuv`实现跨平台的。

## Node.js的弊端 ##

### 单线程带来的弊端 ###

Node.js中有一个特点就是单线程，它带来了很多好处，但是它也有弊端，单线程弱点如下。

1.  无法利用多核CPU
2.  错误会引起整个应用退出无法继续调用异步`I/O`
3.  大量计算占用CPU导致无法继续调用异步`I/O`

以上确实是Node的弊端，但是都会有一些对应的解决方案：

弊端1:解决方案

*  （1）一些管理工具比如`pm2，forever` 等都可以实现创建多进程解决多核 CPU 的利用率问题。
 *  （2）在v0.8版本之前，实现多进程可以使用`child_process`
 *  （3）在v0.8版本之后，可以使用`cluster`模块，通过主从模式，创建多个工作进程解决多核CPU的利用率问题。

弊端2:解决方案

*  （1）Nnigx反向代理，负载均衡，开多个进程，绑定多个端口；
 *  （2） 一些管理工具比如`pm2，forever` 等都可以实现进程监控，错误自动重启等
 *  （3）开多个进程监听同一个端口，使用Node提供的`cluster`模块；
 *  （4）未出现`cluster`之前，也可以使用`child_process`,创建多子线程监听一个端口。
 *  （5）这里说明下，有上面的这些解决方案，但是写node后端代码的时候，异常抛出`try catch`显得格外有必要。

弊端3:解决方案

*  （1）可以把大量的密集计算像上面一样拆分成多个子线程计算
 *  但是如果不允许拆分，想计算100万的大数据，在一个单线程中，Node确实显得无能为力，这本身就是V8内存限制的弊端。

> 说明：child\_process与cluster模块我会单独拿一篇文章来讲。值得开心的是上面这些弊端随着Node的版本更新，和新的api模块出现，好像解决了这些弊端。

### 调试 ###

用过`node`的人可能第一时间就会想到`debug`太难了，没有`stack trace`，因此调试比较困难。

### Node社区中的npm包 ###

`Node.js`社区有很多包品质良莠不齐、如果你想偷懒而又刚好`npm`了一个有问题的包你就很麻烦，因为代码是开源的，只能自己调试了。

## Node.js的应用场景 ##

介绍了Node.js的特点和弊端，再说一下Node.js的应用场景。

Node.js适合用来开发什么样的应用程序呢？

善于`I/O`，不善于计算。因为`Node.js`最擅长的就是任务调度，如果你的业务有很多的 `CPU` 计算，实际上也相当于这个计算阻塞了这个单线程，就不太适合Node开发，但是也不是没有解决方案，只是说不太适合。

当应用程序需要处理大量并发的`I/O`，而在向客户端发出响应之前，应用程序内部并不需要进行非常复杂的处理的时候，`Node.js`非常适合。`Node.js`也非常适合与`websocket`配合，开发长连接的实时交互应用程序。

具体场景可以表现为如下：

*  第一大类：用户表单收集系统、后台管理系统、实时交互系统、考试系统、联网软件、高并发量的web应用程序；
 *  第二大类：基于web、canvas等多人联网游戏；
 *  第三大类：基于web的多人实时聊天客户端、聊天室、图文直播；
 *  第四大类：单页面浏览器应用程序；
 *  第五大类：操作数据库、为前端和移动端提供基于`json`的API；
 *  第六大类，....

## 哪些大公司在用 ##

*  雅虎：雅虎开放了`Cooktail`框架，将`YUI3`这个前端框架的能力借助Node延伸到了服务器端。
 *  腾讯：将 Node 应用到长连接，以提供实时功能。
 *  花瓣网，蘑菇街：通过`socket.io`实现实时通知。
 *  阿里：主要利用的是并行`I/O`这个性能，实现高效的分布式，它们自己也出了很多Node框架
 *  LinkedIn：移动网站也是使用的Node
 *  网易：游戏领域对并发和实时要求很高，网易开源了Node的实时框架`pomelo`
 *  很多教育公司在用Node搭建中台或者直接作为后端
 *  等等...

参考文章：本文部分内容来自朴灵老师的《深入浅出Node.js》

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[深入理解Node.js 进程与线程(8000长文彻底搞懂)][Node.js _8000]

[Node.js 高级进阶之 fs 文件模块学习][Node.js _ fs]

[Node进阶-探究不在V8堆内存中存储的Buffer对象][Node_-_V8_Buffer]

[说Node.js做后端开发，stream有必要了解下][Node.js_stream]

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