前言

我们都知道JavaScript是单线程的处理。但是我们在Node开发、Egg开发下，我们的程序又能够处理高并发的请求。明明是单线程却能高并发处理，这是什么原理呢？我们本篇文章来探究一下。

一. NodeJs 线程模型

先分块解答一下 ”单线程“、 ”高并发“ 的含义：

• 单线程：Node遵循的是单线程单进程的模式。单线程则指的是Js的引擎只有一个实例，它在NodeJs主线程中执行。但是它可以通过事件驱动的方式来处理异步IO操作。
• 那如何处理高并发的？Node 拥有一个主线程，但是它只负责任务的往返调度，并不会真正执行用户请求等IO操作。而所有的IO操作则交给内部的work线程池去实现。

1.1 NodeJs 模型分析

我们看一下下面一张图：

首先我们从上图中，将Node模型分成4个功能模块：

• Application：应用层。即JS的交互层，例如NodeJs中的模块：http、fs等。
• V8引擎层：解析JS语法，和下层API进行交互。
• NodeAPI层：为上层模块系统提供系统调用、底层则和操作系统进行交互。
• LIBUV层：一种跨平台的底层封装。实现事件循环、文件操作等功能，是Node里面实现异步的核心模块。

再来讲一下和上图有关的几个基本概念：

• 事件循环：事件循环是一种编程构造，用于等待和分派程序中的事件或消息。主线程从 事件队列中读取事件，这个过程是循环不断的，所以整个的这种运行机制又称为Event Loop（事件循环）
• 事件队列（任务队列）：当用户的网络请求或者其它的异步操作到来时，node都会把它放到Event Queue之中，此时并不会立即执行它，代码也不会被阻塞，继续往下走，直到主线程代码执行完毕。
• 事件驱动：实质是通过主循环加事件触发方式运行程序。

Node.js 不是一门语言也不是框架，它只是基于 Google V8 引擎的 JS 运行时环境，是对 JS 功能的拓展。提供了网络、文件、dns 解析、进程线程等功能。

1.2 NodeJs处理事件请求的流程

结合上文的几个相关概念，流程如下：

1. Node 主线程接收到了用户的网络请求，会把它丢到Event Queue（事件队列）中，并不会立即执行它。主线程不会阻塞。
2. Node主线程代码执行完毕，通过Event Loop（事件循环），每次循环都取出队列中的第一个事件，把它丢给LIBUV库的线程池中的线程让它执行，我们这里就叫libuv线程。备注：这个过程中，一旦有新的事件加入到队列中，都会通知主线程去按顺序取出来处理。
3. 而libuv线程池的维护则是由底层的LIBUV来完成维护。默认打开4个，最多拥有128个线程。
4. 当事件执行完毕，就会通知主线程，主线程执行回调拿到结果，libuv线程则归还给线程池，等待下一次调度。

因此对于Node而言，主线程执行JS，这个过程是单线程的。但是可以同时处理大量的IO事件（底层的libuv线程池来完成），非常适合IO密集型的任务处理。相反，若主线程JS进行了CPU密集型，那性能就会非常差，导致长时间的阻塞。

1.3 NodeJs 和传统 Server 的对比

对比项	NodeJs	传统Server
高并发处理	NodeJs只有一个主线程（单线程），但是可以通过底层的LIBUV库中维护的libuv线程池处理高并发请求	每个请求都会生成一个线程
内存消耗	由于1000个请求是丢到队列当中（并不是立马执行的），排队等待最多128个libuv线程去处理。内存消耗小得多，时间换空间。	假设1个进程需要1M内存，为了能同时处理1000个请求，就可能需要1G左右的内存
上下文切换	由于单线程，不需要切换	例如Java，线程之间需要进行上下文的切换

这么看下来，NodeJs 更像是 ”非阻塞“ 而不是并发。

1. 再多的请求都是丢到队列，主线程不会受到阻塞。
2. 主线程通过回调机制来拿到结果，只负责不断的往返调度，从而实现异步非阻塞IO。

但是，在我们知道 JavaScript 代码是运行在单线程上后，即一个 Node.js 进程只能运行在一个 CPU 上，那是不是就无法利用到多核运算的好处了？

并不是，NodeJs 官方提供了一种解决方案：cluster 模块。

二. Cluster 模块利用多核CPU处理

官网当中提供了一段简介：

• 单个 Node.js 实例在单线程环境下运行。为了更好地利用多核环境，用户有时希望启动一批 Node.js 进程用于加载。
• 集群化模块使得你很方便地创建子进程，以便于在服务端口之间共享。说白了就是多个子进程共享一个端口。

而Cluster简单的说就是：

1. 可以在服务器上同时启动多个进程。
2. 这些进程同时监听同一个端口。跑的也是同一份源代码。
3. 有一个专门负责启动其他进程的Master进程（包工头），它只负责启动其他进程。
4. 而被启动的线程则叫做 Worker 进程，是真正干活的工人。接收请求，提供对外服务。而启动的Worker进程数量一般由服务器的CPU核数来决定。

即前面的小章节，都是建立在单个Worker的基础上来完成的。每个Worker都有属于他自己的一套事件队列以及底层的LIBUV库线程池。

现在有两个问题：

1. Cluster 是如何做到多个进程共享同一个端口的？
2. Master 是如何将接收到的请求传递给worker然后去执行的？

源码的详解可以参考：源码解析

原理如下：

1. 主线程负责监听指定的端口，并接收来自客户端的请求。
2. 主线程接收到请求后，将请求通过轮询负载均衡的方式丢给可用的Worker进程来处理。
3. 主进程和 Worker 进程之间通过 IPC（进程间通信）来传递连接和其他信息。主进程将接收到的连接分配给 Worker 进程，并将连接的套接字（socket）传递给对应的 Worker 进程。Worker 进程接收到连接后，可以像单个 Node.js 应用程序一样处理连接。执行完业务逻辑处理之后，返回。
4. 通过这种方式，多个 Worker 进程可以共享同一个端口，并且能够处理并发的连接请求。

三. 总结

总结下NodeJs的单线程模型和高并发处理原理，假设我们有一台4核CPU的机器。

• NodeJs会创建出一个Master进程，它负责创建Worker进程，数量一般会和服务器的核数一致，也就是4个Worker进程。
• 外部的用户请求到服务器，会由Master进程进行轮询负载均衡丢给Worker进程来处理。
• 同时Master会通过IPC通信，传递相关的信息给Worker进程，让他们能够正确地处理用户请求。

这里是nodejs对多核服务的一个利用机制。每个CPU同一时间可以处理一个用户请求。

那再说一下单个Worker进程的处理：

1. Worker 进程开始处理当前用户请求。这个请求过程中遇到的任何一个IO请求（事件），统一丢给Event Queue事件队列中，而非立即执行。
2. 主线程（JS单线程）处理完毕之后（即你的代码已经跑完了，但是期间涉及到的异步任务还没执行完毕），会进行事件循环，不断地访问事件队列中的队列，依次取出，将它丢给LIBUV库中维护的线程池。
3. 最终的异步任务则由底层的线程池来完成，完成好后通知给主线程，主线程通过回调机制拿到结果。
4. 从而实现了主线程的非阻塞异步IO。