NodeJs之事件循环以及I/O多路复用

Node.js 的事件循环允许我们在单线程中处理并发请求。事件循环的核心是将异步操作与回调函数结合起来，使得 Node.js 能够非阻塞地处理 I/O 操作。

工作原理

事件循环主要是分为几个阶段：

Timers 阶段：处理所有定时器的回调，setTimeout 和 setInterval。每当 timers 阶段被调用时，Node.js 会检查是否有定时器到期，如果有，将执行相应的回调。
I/O Callbacks 阶段：处理大部分的异步 I/O 操作的回调。此阶段处理的回调包括文件系统 I/O 操作、网络请求等。
Idle, Prepare 阶段：这个阶段主要用于内部管理，通常开发者不需要关注。
Poll 阶段：
- 这是事件循环的核心阶段，主要负责等待 I/O 事件的发生。epoll 在这里发挥关键作用。
- 在这个阶段，Node.js 会检查是否有 I/O 事件。如果有，它会将事件的回调放入待执行的队列中。如果没有事件发生，Node.js 会根据配置决定是继续等待还是转到下一个阶段。
Check 阶段：处理 setImmediate 的回调。此阶段的回调在 Poll 阶段之后立即执行。
Close Callbacks 阶段：处理关闭事件，例如关闭 socket 连接时的回调。

执行顺序

在事件循环的每个循环中，首先执行 timers 阶段的回调，然后是 I/O callbacks，接着是 poll 阶段，如果有微任务（例如 Promise 的回调），它们会被立即执行。
微任务的执行优先级高于宏任务。在同一循环中，所有微任务会在进入下一个阶段之前完成。

process.nextTick 是 Node.js 中一个重要的机制，用于在当前操作完成后立即执行回调函数。它与微任务队列密切相关:

process.nextTick 的回调函数会被放入一个特殊的队列中，它的执行优先级高于微任务队列（如 Promise 的 .then 回调）。
这意味着在当前操作完成后，如果有 process.nextTick 的回调，它会在进入下一个事件循环阶段之前立即执行。
process.nextTick 通常用于确保某个操作在当前执行上下文中的下一个循环中执行。它可以用来避免阻塞主线程，并在当前代码执行完后立即处理一些操作，例如错误处理、状态更新等。

举个例子：

const fs = require('fs');

console.log('Start');

// 使用 process.nextTick
process.nextTick(() => {
  console.log('Next Tick 1');
});

// 使用 setTimeout
setTimeout(() => {
  console.log('Timeout 1');
}, 0);

// 文件读取（I/O 操作）
fs.readFile('example.txt', 'utf8', (err, data) => {
  console.log('File read complete');
});

// 使用 Promise
Promise.resolve().then(() => {
  console.log('Promise 1');
});

// 再次使用 process.nextTick
process.nextTick(() => {
  console.log('Next Tick 2');
});

// 结束日志
console.log('End');

答案:

Start
End
Next Tick 1
Next Tick 2
Promise 1
File read complete
Timeout 1

几种主要的 I/O 多路复用机制

select

select 是最早的 I/O 多路复用机制之一，广泛用于 POSIX 系统。它允许程序监视多个文件描述符（如 socket、文件等），以便确定哪些文件描述符可读、可写或发生了错误。

工作原理：

select 接受三个主要参数，分别是可读、可写和异常文件描述符的集合。调用时，select 会阻塞，直到至少一个文件描述符变为可用。
一旦返回，程序需要遍历文件描述符集合，检查哪些文件描述符的状态发生了变化。

poll

poll 是 select 的改进版本，解决了文件描述符数量限制的问题，支持的文件描述符数量几乎没有上限。

工作原理：

poll 使用一个数组来保存需要监视的文件描述符及其事件类型（可读、可写等）。与 select 不同，poll 在调用时不需要重设文件描述符集合。

epoll

epoll 是 Linux 特有的 I/O 多路复用机制，设计用于处理大量并发连接，提供了比 select 和 poll 更高效的性能。

工作原理：

epoll 采用事件驱动的方式，使用内核的事件通知机制。程序只需将文件描述符添加到 epoll 实例中，然后通过调用 epoll_wait 等待事件发生。
当文件描述符的状态变化时，内核会通知应用程序，不再需要不断轮询。

IOCP (I/O Completion Ports)

I/O Completion Ports 是 Windows 平台上的高效 I/O 多路复用机制，专门为处理大量并发连接而设计。

工作原理：

使用线程池和 I/O 完成端口，允许线程从端口获取已完成的 I/O 操作。这种方法有效地将 I/O 操作与线程管理结合起来。

在 Windows 下，Node.js 使用的 I/O 多路复用机制主要是 I/O Completion Ports (IOCP)。它允许多个线程共享一个或多个 I/O 完成端口，提供了一种高效的方式来处理异步 I/O 操作。IOCP 结合了线程池的概念，可以自动管理和分配线程，以便在 I/O 操作完成时处理回调。这意味着应用程序可以更有效地利用系统资源，避免频繁的线程创建和销毁。

在 Node.js 中，底层的 I/O 操作（例如网络请求和文件操作）是通过 libuv 库实现的。libuv 是一个跨平台的异步 I/O 库，提供了对文件系统、网络和线程池的抽象。在 Windows 平台上，libuv 会使用 IOCP 来处理异步 I/O 操作。这意味着当你在 Node.js 中发起一个异步 I/O 请求时（比如使用 fs 模块读取文件或通过 HTTP 请求获取数据），libuv 会通过 IOCP 来管理这些操作的完成状态。

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工作原理

执行顺序

几种主要的 I/O 多路复用机制