Node.js采用 事件驅動 和 異步I/O 的方式，實現了一個單線程、高並發的運行時環境，而單線程就意味著同一時間只能做一件事，那麽Node.js如何利用單線程來實現高並發和異步I/O？本文將圍繞這個問題來探討Node.js的單線程模型：

1、高並發

一般來說，高並發的解決方案就是多線程模型，服務器為每個客戶端請求分配一個線程，使用同步I/O，系統通過線程切換來彌補同步I/O調用的時間開銷，比如Apache就是這種策略，由於I/O一般都是耗時操作，因此這種策略很難實現高性能，但非常簡單，可以實現復雜的交互邏輯。

而事實上，大多數網站的服務器端都不會做太多的計算，它們只是接收請求，交給其它服務（比如從數據庫讀取數據），然後等著結果返回再發給客戶端。因此，Node.js針對這一事實采用了單線程模型來處理，它不會為每個接入請求分配一個線程，而是用一個主線程處理所有的請求，然後對I/O操作進行異步處理，避開了創建、銷毀線程以及在線程間切換所需的開銷和復雜性。

2、事件循環

Node.js 在主線程中維護了一個事件隊列，當接收到請求後，就將請求作為一個事件放入該隊列中，然後繼續接收其他請求。當主線程空閑時(沒有請求接入時)，就開始循環事件隊列，檢查隊列中是否有要處理的事件，這時要分兩種情況：如果是非I/O任務，就親自處理，並通過回調函數返回到上層調用；如果是I/O任務，就從線程池中拿出一個線程來執行這個事件，並指定回調函數，然後繼續循環隊列中的其他事件。當線程中的I/O任務完成後，就執行指定的回調函數，並把這個完成的事件放到事件隊列的尾部，等待事件循環，當主線程再次循環到該事件時，就直接處理並返回給上層調用。 這個過程就叫事件循環(Event Loop)，如下圖所示：

3、事件驅動

Node.js實現異步的核心是事件驅動。也就是說，它把每一個任務都當成事件來處理，然後通過Event Loop 模擬了異步的效果，為了更具體、更清晰的理解和接受這個事實，我們用代碼來描述這個實現過程：

【1】事件隊列

首先，我們需要定義一個事件隊列，既然是隊列，那就是一個先進先出(FIFO)的數據結構，我們用JS的數組來描述，如下：

/**
 * 定義事件隊列
 * 入隊：unshfit()
 * 出隊：pop()
 * 空隊列：length == 0
 */
eventQueue:[],

為了方便理解，我們規定：數組的第一個元素是隊列的尾部，數組的最後一個元素是隊列的頭部， unshfit 就是在尾部插入一個元素，pop就是從頭部彈出一個元素，這樣就實現了一個簡單的隊列。

【2】接收請求

定義一個總的入口來接收用戶請求，如下所示：

/**
 * 接收用戶請求
 * 每一個請求都會進入到該函數
 * 傳遞參數request和response
 */
processHttpRequest:function(request,response){
     
    //定義一個事件對象
    var event = createEvent({
        params:request.params, //傳遞請求參數
        result:null, //存放請求結果
        callback:function(){} //指定回調函數
    });
 
    //在隊列的尾部添加該事件  
    eventQueue.unshift(event);
},

這個函數很簡單，就是把用戶的請求包裝成事件，放到隊列裏，然後繼續接收其他請求。

【3】事件循環 ( Event Loop )

當主線程處於空閑時就開始循環事件隊列，所以，我們再定義一個事件循環的函數：

/**
 * 事件循環主體，主線程擇機執行
 * 循環遍歷事件隊列
 * 處理事件
 * 執行回調，返回給上層
 */
eventLoop:function(){
    //如果隊列不為空，就繼續循環
    while(this.eventQueue.length > 0){
         
        //從隊列的頭部拿出一個事件
        var event = this.eventQueue.pop();
         
        //如果是IO任務
        if(isIOTask(event)){
            //從線程池裏拿出一個線程
            var thread = getThreadFromThreadPool();
            //交給線程處理
            thread.handleIOTask(event)
        }else {
            //非IO任務處理後，直接返回結果
            var result = handleEvent(event);
            //最終通過回調函數返回給V8，再由V8返回給應用程序
            event.callback.call(null,result);
        }
    }
},

主線程不停的檢測事件隊列，對於IO任務就交給線程池來處理，非IO任務就自己處理並返回。

【4】線程池

線程池接到任務以後，直接處理IO操作，比如讀取數據庫：

/**
 * 處理IO任務
 * 完成後將事件添加到隊列尾部
 * 釋放線程
 */
handleIOTask:function(event){
    //當前線程
    var curThread = this;
 
    //操作數據庫
    var optDatabase = function(params,callback){
        var result = readDataFromDb(params);
        callback.call(null,result)
    };
     
    //執行IO任務
    optDatabase(event.params,function(result){
        //返回結果存入事件對象中
        event.result = result;
 
        //IO完成後，將不再是耗時任務
        event.isIOTask = false;
         
        //將該事件重新添加到隊列的尾部
        this.eventQueue.unshift(event);
         
        //釋放當前線程
        releaseThread(curThread)
    })
}

當IO任務完成以後就執行回調，把請求結果存入事件中，並將該事件重新放入隊列中，等待循環，最後釋放線程。當主線程再次循環到該事件時，就直接處理了。

總結以上過程我們發現，Node.js 的主線程就是一個單線程，它接收請求後並沒有直接做處理，而是放到了事件隊列中，然後去接收其他請求了，空閑時再通過Event Loop來處理這些事件，從而實現了異步效果，當然對於IO類任務還要依賴於系統層面的線程池來處理。因此，我們可以簡單理解為：Node.js本身是一個多線程平臺，而它對JS層面的任務處理是單線程。

4、Node.js軟肋

至此，我們對Node.js應該有了一個簡單而又清晰的認識，但Node.js 並不是什麽都能做。

上面提到，如果是I/O任務，Nodejs就把任務交給線程池來異步處理，高效簡單，因此Node.js適合處理I/O密集型任務，但不是所有的任務都是I/O密集型任務，當碰到CPU密集型任務時，就是只用CPU計算的操作，比如要對數據加解密(node.bcrypt.js)，數據壓縮和解壓(node-tar)，這時Node.js就會親自處理，一個一個的計算，前面的任務沒有執行完，後面的任務只能幹等著，如下圖所示：

在事件隊列中，如果前面的CPU計算任務沒有完成，那麽後面的任務就會被阻塞，出現響應緩慢的情況，如果操作系統本身就是單核，那也就算了，但現在大部分服務器都是多CPU或多核的，而Node.js只有一個EventLoop，也只占用一個CPU/內核，當Node.js被CPU密集型任務占用，導致其他任務被阻塞時，卻還有CPU/內核處理閑置狀態，造成資源浪費。因此Node.js並不適合CPU密集型任務。

5、Node.js適用場景

RESTful API，這是適合 Node 的理想情況，因為您可以構建它來處理數萬條連接。它仍然不需要大量邏輯；它本質上只是從某個數據庫中查找一些值並將它們組成一個響應。由於響應是少量文本，入站請求也是少量的文本，因此流量不高，一臺機器甚至也可以處理最繁忙的公司的 API 需求。

實時程序，比如聊天服務，聊天應用程序是最能體現 Node.js 優點的例子：輕量級、高流量並且能良好的應對跨平臺設備上運行密集型數據（雖然計算能力低）。同時，聊天也是一個非常值得學習的用例，因為它很簡單，並且涵蓋了目前為止一個典型的 Node.js 會用到的大部分解決方案。

參考文獻：

[1] Node.js軟肋之CPU密集型任務

[2] nodejs筆記之：事件驅動，線程池，非阻塞，異常處理等

[3] Node.js機制及原理理解初步

【轉】淺談Node.js單線程模型