Node——Node.js基础

Node.js是一个基于Chrome V8引擎的JavaScript运行时环境，它能够让JavaScript脚本运行在服务端，这使得JavaScript成为与PHP、Python等服务端语言平起平坐的脚本语言。

1、认识Node.js

Node.js是当今网站开发中非常流行的一种技术，它以简单易学、开发成本低、高并发等特点而深受广大开发者欢迎，本节将对Node.js的基本概念、工作原理、优缺点，以及应用领域等进行介绍。

1.1、什么是Node.js

Node.js（简称Node）是一个开源的、基于Chrome V8引擎的服务器端JavaScript运行时环境，可以在浏览器环境以外的主机上解释和运行JavaScript代码，它发布于2009年5月，由谷歌工程师Ryan Dahl开发。Node.js支持现在大部分的主流浏览器，包括Chrome、Microsoft Edge和Opera等。Node.js主要由标准库、中间层和底层库这3部分组成，其架构如下图所示：
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下面分别对上图中的Node.js结构层进行介绍：

标准库(Node standard library)：提供了开发人员能够直接进行调用并使用的一些API，如http模块、stream流模块、fs文件系统模块等，可以使用JavaScript代码直接调用。
中间层(Node binding)：由于Node.js的底层库采用C/C++实现，而标准库中的JavaScript代码无法直接与C/C++进行通信，因此提供了中间层，它在标准库和底层库之间起到了桥梁的作用，它封装了底层库中V8引擎和libuv等的实现细节，并向标准库提供基础API服务。
底层库（C/C++实现）：底层库是Node.js运行的关键，它由C/C++实现，包括V8引擎、libuv、C-ares、OpenSSL、zlib等，它们的主要作用如下：

V8引擎：Google的一个开源的JavaScript和WebAssembly引擎，使用C++语言编写，用于Chrome浏览器和Node.js等。V8引擎主要是为了提高JavaScript的运行效率，因此它采用了提前编译的方式，将JavaScript编译为原生机器码，这样在执行阶段程序的执行效率可以完全媲美二进制程序。

libuv：一个专门为Node.js量身打造的跨平台异步I/O库，使用C语言编写，提供了非阻塞的文件系统、DNS、网络、子进程、管道、信号、轮询和流式处理机制。Node.js会通过中间层将用户的JavaScript代码传递给底层库的V8引擎进行解析，然后通过libuv进行循环调度，最后再返回给调用Node.js标准库的应用。

C-ares：一个用来处理异步DNS请求的库，使用C语言编写，对应Node.js中dns模块提供的resolve()系列方法。

OpenSSL：一个通用的加密库，通常用于网络传输中的TLS和SSL协议实现，对应Node.js中的tls、crypto模块。

zlib：一个提供压缩和解压支持的底层模块。

说明
在Node.js中，libuv发挥着十分重要的作用，具体如下：

libuv使用各平台提供的事件驱动模块实现异步，这使得它可以支持Node.js应用的非文件I/O模块，并把相应的事件和回调封装成I/O观察者放到底层的事件驱动模块中。当事件触发时，libuv会执行I/O观察者中的回调。
libuv实现了一个线程池来支持Node.js中的文件I/O、DNS、用户异步等操作。

1.2、Node.js的工作原理

1、事件驱动

Node.js采用一种独特的事件驱动思想，将I/O操作作为事件响应，而不是阻塞操作，从而实现了事件函数的快速执行与错误处理。由于Node.js能够采用异步非阻塞的方式访问文件系统、数据库、网络等外部资源，因此，它能够高效地处理海量的并发请求，极大地提高了应用程序的吞吐量。

2、单线程

Node.js采用单线程模型，只需要轻量级的线程即可处理大量的请求。与多线程模型相比，这种模型消除了线程之间的竞争，使得程序的稳定性大幅度提升。在Node.js的单线程模型中，所有的I/O操作都被放在事件队列中，一旦事件出现，Node.js就会依次处理它们。事实上，大多数网站的服务器端都不会做太多的计算，它们接收到请求以后，把请求交给其他服务来处理（如读取数据库），然后等待结果返回，再把结果发给客户端。因此，Node.js针对这一事实采用了单线程模型来处理，它不会为每个接入请求分配一个线程，而是用一个主线程处理所有的请求，然后对I/O操作进行异步处理，避开了创建、销毁线程以及在线程间切换所需的开销和复杂性。

3、非阻塞I/O

在传统的I/O操作（例如，读取或写入磁盘文件，或者对远程服务器进行网络调用）中，当数据读取或写入操作发生时，程序会被阻塞，等数据读取或写入操作完成后才能进入下一步操作。但是，在Node.js中，所有的I/O操作都是非阻塞的，当某个I/O操作发生时，不是等待其执行完成才能进入下一步操作，而是直接回调相应的函数，从而实现了对外部资源的高效访问。

4、事件循环

Node.js采用了一种特殊的设计方式—事件循环，它在工作线程池中维护一个任务队列，当接到请求后，将该请求作为一个事件放入这个队列中，然后继续接收其他请求，同时，Node.js程序会不断地从工作队列中获取要执行的事件，并通过事件循环流程对其进行处理。下图给出了Node.js中事件循环的工作原理：
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事件循环的主要工作阶段如下：

计时器：处理由setTimeout()和setInterval()设置的回调。
回调：运行挂起的回调函数。
轮询：检索传入的I/O事件并运行与I/O相关的回调。
检查：完成轮询后立即运行回调。
关闭回调：关闭事件和回调。

注意
无论是在Linux平台还是Windows平台上，Node.js内部都是通过线程池来完成异步I/O操作的，而libuv针对不同平台的差异性实现了统一调用，因此Node.js的单线程仅仅是指JavaScript运行在单线程中，而并非Node.js是单线程的。

5、模块化设计

在Node.js中，采用了一种模块化的设计方式，按照功能模块将代码拆分成多个文件，使用require函数引入，从而提高了代码的复用率，同时也增强了代码的可维护性。另外，Node.js提供了许多内置模块，如http模块、fs模块等，能够帮助开发者快速搭建Web应用。

1.3、Node.js的优缺点

作为一种能够同时进行前端和后端开发的“年轻”编程语言，Node.js既有优点也有缺点，下面分别进行介绍。

Node.js的优点如下：

前后端一体化开发：Node.js使用JavaScript作为开发语言，使得前端和后端都可以使用同一种语言进行开发，从而提高开发效率和代码的可维护性。
丰富的模块库：Node.js的生态系统非常丰富，拥有大量的第三方模块，使得开发者可以快速构建出各种类型的应用。
轻量级：Node.js采用模块化开发方式，使得应用程序可以轻松地分解成小模块，从而提高了可维护性和可扩展性。
易部署：使用Node.js开发的应用程序可以轻松地部署到各种云端平台上。

Node.js的缺点如下：

缺少严格的类型检查：Node.js是基于JavaScrpt的，它没有严格的类型检查，这既是它的优点，也是它的缺点，优点是开发自由度很高，但缺点是程序出现问题时，检查调试会比较困难。
可靠性不如传统后端语言：由于Node.js的相对年轻和快速迭代，它在可靠性和稳定性方面，相对传统后端语言（如Java、C语言、C#等）还有一定的差距。
CPU密集型任务表现不佳：由于Node.js的单线程模型，当需要进行大量的CPU密集型计算时，可能会出现性能瓶颈，导致程序的运行效率下降。