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Node.js 不是一门新的编程语言,也不是一个 JavaScript 框架,它是一套 JavaScript 运行环境,用来支持 JavaScript 代码的执行。用编程术语来讲,Node.js 是一个 JavaScript 运行时 (Runtime),让 JavaScript 运行在浏览器之外的平台。这里的 JavaScript 并非我们在浏览器中熟悉的 JavaScript,Node.js 没有内置 DOM,也没有任何浏览器的功能。它采用事件驱动、异步编程、为网络服务而设计,实现了诸如文件系统、模块、包、操作系统 API、网络通信等 core-js 没有或者不完善的功能。
core-js 是什么:core-js 它是JavaScript标准库的 polyfill(垫片/补丁), 新功能的 es 'api' 转换为大部分现代浏览器都可以支持。
ECMAScript 的迅速成长以及浏览器的频繁更新换代,每年会出现新的 qpi,像:es6 的Promise,Set 或者 es7 数组新提供的方法 includes,这些新加入的 api,就引出一个词“polyfill“(垫片/补丁),就是社区上提供的一段代码,让我们在不兼容某些新特性的浏览器上,使用该新特性。新功能转换为大部分现代浏览器都可以支持运行的 api 补丁包集合。
- 具有复杂逻辑的网站
- Web 服务器
- Web Socket 网站
- TCP\UDP 套接字应用程序
- 命令行工具
- 交互式终端程序
- 带有图形用户界面的本地应用程序
- 客户端 Javascript 编译器
- 单元测试工具
Node.js 最大的特点是采用异步式 I\O 与事件驱动的架构设计。
对于高并发的解决方案,传统的架构是多线程模型,也就是为每个业务逻辑提供一个系统线程,通过系统线程切换来弥补同步式 I/O 调用时的时间开销。
Node.js 使用的是单线程模型,对于所有 I/O 都采用异步式的请求方式,避免了频繁的上下文切换。Node.js 在执行的过程中会维护一个事件队列,程序在执行时进入事件循环等待下一个事件到来,每个异步式 I/O 请求完成后会被推送到事件队列,等待程序进程进行处理。
例如,对于简单而常见的数据库查询操作,按照传统方式实现的代码如下:
- res = db.query('SELECT * from some_table');
- res.output();
以上代码在执行到第一行的时候,线程会阻塞,等待数据库返回查询结果,然后再继续处理。然而,由于数据库查询可能涉及磁盘读写和网络通信,其延时可能相当大(长达几个到几百毫秒,相比 CPU 的时钟差了好几个数量级),线程会在这里阻塞等待结果返回。对于高并发的访问,一方面线程长期阻塞等待,另一方面为了应付新请求而不断增加线程,因此会浪费大量系统资源,同时线程的增多也会占用大量的 CPU 时间来处理内存上下文切换,而且还容易遭受低速连接攻击。
看看 Node.js 是如何解决这个问题的:
db.query('SELECT * from some_table', function(res) { res.output(); });
这段代码中 db.query 的第二个参数是一个函数,我们称为回调函数。进程在执行到 db.query 的时候,不会等待结果返回,而是直接继续执行后面的语句,直到进入事件循环。当数据库查询结果返回时,会将事件发送到事件队列,等到线程进入事件循环以后,才会调用之前的回调函数继续执行后面的逻辑。
Node.js 的异步机制是基于事件的,所有的磁盘 I/O、网络通信、数据库查询都以非阻
的方式请求,返回的结果由事件循环来处理。
Node.js 进程在同一时刻只会处理一个事件,完成后立即进入事件循环检查并处理后面的事件。这样做的好处是,CPU 和内存在同一时间集中处理一件事,同时尽可能让耗时的 I/O 操作并行执行。对于低速连接攻击,Node.js 只是在事件队列中增加请求,等待操作系统的回应,因而不会有任何多线程开销,很大程度上可以提高 Web 应用的健壮性,防止恶意攻击。
缺点:
- 可靠性低。
- 单进程,只支持单核CPU,不能充分的利用多核CPU服务器。一旦这个进程崩掉,那么整个web服务就崩掉了。
解决办法:
- 开启多个进程,每个进程绑定不同的端口,用反向代理服务器。
Node.js 运行时主要由 V8 引擎、标准库和本地模块组成,尤其是本地模块的多少,从底层决定了 Node.js 功能的强弱。
所谓运行时,就是程序在运行期间需要依赖的一系列组件或者工具;把这些工具和组件打包在一起提供给程序员,程序员就能运行自己编写的代码了。
V8 引擎就是 JavaScript 解释器,它负责解析和执行 JavaScript 代码。JavaScript 是一种脚本语言,需要一边解释一边运行,用到哪些源代码就编译哪些源代码,整个过程由解释器完成。没有解释器的话,JavaScript 只是一堆纯文本文件,不能被计算机识别。
V8 引擎借鉴了 Java 虚拟机和 C++ 编译器的众多技术,它将 JavaScript 代码直接编译成原生机器码,并且使用了缓存机制来提高性能,这使得 JavaScript 的运行速度可以媲美二进制程序。
V8 引擎使用 C++ 语言编写,可以独立运行,也可以嵌入到任何其它 C++ 程序中。谷歌公司将 V8 引擎甚至整个 Chrome 浏览器都开源了,任何人都可以免费地将 V8 应用到自己的项目中。
所谓本地模块,就是已经被提前编译好的模块,它们是二进制文件,和可执行文件在内部结构上没有什么区别,只是不能单独运行而已。这些本地模块其实就是动态链接库(在 Windows 下是 .dll 文件),如果你使用过C语言、C++ 等编译型语言,那你应该能够更好地理解它。
本地模块一般封装了通用功能,对性能要求较高,所以通常使用编译型语言来实现,比如C语言、C++、汇编语言等。Node.js 集成了众多高性能的开源库,它们使用 C/C++ 语言实现,比如:
- libuv:一个跨平台的、基于事件驱动的异步 I/O 库。但是 libuv 不仅限于 I/O,它还提供了进程管理、线程池、信号处理、定时器等其它功能。Linux 中一切皆文件,这里的 I/O 不仅仅包括文件读写,还包括数据库读写、网络通信(socket)等。
- nmp:Node.js 包管理器,可以下载包、安装包、卸载包、更新包、上传包等。
- http_parser:一款由C语言编写的轻量级 HTTP 解析器,用以支持 Web 应用开发。
- zlib:工业级的数据压缩/解压模块,Nodejs 借助 zlib 来创建同步、异步或者流式的压缩/解压接口。
- OpenSSL:该模块提供了经过严密测试的许多加密/解密功能,现代 Web 依赖这些功能来实现安全性,比如 SSL 协议和 https 协议。
- c-ares:异步 DNS 查询和解析库。
Node.js 直接在计算机上运行 JavaScript 代码,并且要赋予 JavaScript 强大的能力,所以它的本地模块和浏览器中的运行时有很多大区别,甚至说几乎没有什么关联。Node.js 几乎完全抛弃了浏览器,自己从头构建了一套全新的 JavaScript 运行时。
JavaScript 解释器需要本地模块的支持,标准库在编写时也会调用本地模块的接口,而我们编写的 JavaScript 代码一般不会直接使用本地模块,所以 Web 前端程序员触及不到它们。
本地模块使用 C/C++ 编写,而 Node.js 面向 JavaScript 开发人员,所以必须要封装本地模块的 C/C++ 接口,提供一套优雅的 JavaScript 接口给开发人员,并且要保持接口在不同平台(操作系统)上的一致性。
这套 JavaScript 接口,就是 Node.js 标准库。标准库是否优雅和强大,决定了 Node.js 的易用性,直接影响 Node.js 的市场表现。
解释器、标准库、本地模块等各种组件/工具共同支撑了 JavaScript 代码的运行,它们统称为 JavaScript 运行时。
在 Node.js 之前,JavaScript 运行时被绑定在浏览器中,作为浏览器的各种模块出现。这意味着,要想运行 JavaScript 代码就必须启动浏览器,JavaScript 逃不出浏览器的手掌心,它的功能受到很大的限制,只能作为网页脚本使用。
V8 引擎和众多本地模块都是现成的,别人已经造好了轮子,Node.js 的主要工作就是选择合适的模块,将它们集成在一起,并编写好 JavaScript 接口。
当然,并不是所有的本地模块都能找到合适的,Node.js 也自己编写了几个模块,典型的代表就是 Libuv。Libuv 是 Node.js 最核心最基础的模块,Node.js 完全基于 Libuv 而构建。
Node.js 采用了基于事件的、单线程的异步 I/O 架构,这是 Node.js 最大的特点,也是它和其它脚本语言最大的区别,Node.js 的这种能力就是依赖 Libuv 实现的。
Libuv 如此强大,官方决定将它从 Node.js 中剥离出来,作为一个单独的网络库发布,并且开源免费。现在的 Libuv 已经变得非常流行,和传统的 Libevent 和 libev 库并称为 “C/C++ 三大网络库”。
Node.js 是一个 JavaScript 运行时,它让 JavaScript 脱离了浏览器环境,可以直接在计算机上运行,极大地拓展了 JavaScript 用途。我们应该将 JavaScript 和 Python、Java、Ruby 等其它编程语言同等对待,不能再将它视为一种 “小玩意”。
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