Nodejs进阶学习：深入了解异步I/O和事件循环

本篇文章是Nodejs的进阶学习，带大家详细了解一下Nodejs中的异步I/O和事件循环，希望对大家有所帮助！

本文讲详细讲解 nodejs 中两个比较难以理解的部分异步I/O和事件循环，对 nodejs 核心知识点，做梳理和补充。【推荐学习：《nodejs 教程》】

送人玫瑰，手有余香，希望阅读后感觉不错的同学，可以给点个赞，鼓励我继续创作前端硬文。

老规矩我们带上疑问开始今天的分析：

• 1 说说 nodejs 的异步I/O ？
• 2 说说 nodejs 的事件循环机制 ？
• 3 介绍一下 nodejs 中事件循环的各个阶段 ？
• 4 nodejs 中 promise 和 nextTick 的区别？
• 5 nodejs 中 setImmediate 和 setTimeout 区别 ？
• 6 setTimeout 是精确的吗，什么情况影响 setTimeout 的执行？
• 7 nodejs 中事件循环和浏览器有什么不同 ？

异步I/O

概念

处理器访问任何寄存器和 Cache 等封装以外的数据资源都可以当成 I/O 操作，包括内存，磁盘，显卡等外部设备。在 Nodejs 中像开发者调用 fs 读取本地文件或网络请求等操作都属于I/O操作。（最普遍抽象 I/O 是文件操作和 TCP/UDP 网络操作）

Nodejs 为单线程的，在单线程模式下，任务都是顺序执行的，但是前面的任务如果用时过长，那么势必会影响到后续任务的进行，通常 I/O 与 cpu 之间的计算是可以并行进行的，但是同步的模式下，I/O的进行会导致后续任务的等待，这样阻塞了任务的执行，也造成了资源不能很好的利用。

为了解决如上的问题，Nodejs 选择了异步I/O的模式，让单线程不再阻塞，更合理的使用资源。

如何合理的看待Nodejs中异步I/O

前端开发者可能更清晰浏览器环境下的 JS 的异步任务，比如发起一次 ajax 请求，正如 ajax 是浏览器提供给 js 执行环境下可以调用的 api 一样 ，在 Nodejs 中提供了 http 模块可以让 js 做相同的事。比如监听｜发送 http 请求，除了 http 之外，nodejs 还有操作本地文件的 fs 文件系统等。

如上 fs http 这些任务在 nodejs 中叫做 I/O 任务。理解了 I/O 任务之后，来分析一下在 Nodejs 中，I/O 任务的两种形态——阻塞和非阻塞。

nodejs中同步和异步IO模式

nodejs 对于大部分的 I/O 操作都提供了阻塞和非阻塞两种用法。阻塞指的是执行 I/O 操作的时候必须等待结果，才往下执行 js 代码。如下一下阻塞代码

同步I/O模式

/* TODO:  阻塞 */
const fs = require('fs');
const data = fs.readFileSync('./file.js');
console.log(data)

• 代码阻塞 ：读取同级目录下的 file.js 文件，结果 data 为 buffer 结构，这样当读取过程中，会阻塞代码的执行，所以 console.log(data) 将被阻塞，只有当结果返回的时候，才能正常打印 data 。
• 异常处理 ：如上操作有一个致命点就是，如果出现了异常，（比如在同级目录下没有 file.js 文件），就会让整个程序报错，接下来的代码讲不会执行。通常需要 try catch来捕获错误边界。代码如下：

/* TODO: 阻塞 - 捕获异常  */
try{
    const fs = require('fs');
    const data = fs.readFileSync('./file1.js');
    console.log(data)
}catch(e){
    console.log('发生错误：',e)
}
console.log('正常执行')

• 如上即便发生了错误，也不会影响到后续代码的执行以及应用程序发生错误导致的退出。

同步 I/O 模式造成代码执行等待 I/O 结果，浪费等待时间，CPU 的处理能力得不到充分利用，I/O 失败还会让整整个线程退出。阻塞 I / O 在整个调用栈上示意图如下：

异步I/O模式

这就是刚刚介绍的异步I/O。首先看一下异步模式下的 I/O 操作：

/* TODO: 非阻塞 - 异步 I/O */
const fs = require('fs')
fs.readFile('./file.js',(err,data)=>{
    console.log(err,data) // null  <Buffer 63 6f 6e 73 6f 6c 65 2e 6c 6f 67 28 27 68 65 6c 6c 6f 2c 77 6f 72 6c 64 27 29>
})
console.log(111) // 111 先被打印～

fs.readFile('./file1.js',(err,data)=>{
    console.log(err,data) // 保存  [ no such file or directory, open './file1.js'] ，找不到文件。
})

• 回调 callback 被异步执行，返回的第一个参数是错误信息，如果没有错误，那么返回 null ，第二个参数为 fs.readFile 执行得到的真正内容。
• 这种异步的形式可以会优雅的捕获到执行 I/O 中出现的错误，比如说如上当读取 file1.js 文件时候，出现了找不到对应文件的异常行为，会直接通过第一个参数形式传递到 callback 中。

比如如上的 callback ，作为一个异步回调函数，就像 setTimeout(fn) 的 fn 一样，不会阻塞代码执行。会在得到结果后触发，对于 Nodejs 异步执行 I/O 回调的细节，接下来会慢慢剖析。

对于异步 I/O 的处理， Nodejs 内部使用了线程池来处理异步 I/O 任务，线程池中会有多个 I/O 线程来同时处理异步的 I/O 操作，比如如上的的例子中，在整个 I/O 模型中会这样。

接下来将一起探索一下异步 I/O 执行过程。

事件循环

和浏览器一样，Nodejs 也有自身的执行模型——事件循环（ eventLoop ），事件循环的执行模型受到宿主环境的影响，它不属于 javascript 执行引擎（ 例如 v8 ）的一部分，这就导致了不同宿主环境下事件循环模式和机制可能不同，直观的体现就是 Nodejs 和浏览器环境下对微任务（ microtask ）和宏任务（ macrotask ）处理存在差异。对于 Nodejs 的事件循环及其每一个阶段，接下来会详细探讨。

Nodejs 的事件循环有多个阶段，其中有一个专门处理 I/O 回调的阶段，每一个执行阶段我们可以称之为 Tick ， 每一个 Tick 都会查询是否还有事件以及关联的回调函数 ，如上异步 I/O 的回调函数，会在 I/O 处理阶段检查当前 I/O 是否完成，如果完成，那么执行对应的 I/O 回调函数，那么这个检查 I/O 是否完成的观察者我们称之为 I/O 观察者。

观察者

如上提到了 I/O 观察者的概念，也讲了 Nodejs 中会有多个阶段，事实上每一个阶段都有一个或者多个对应的观察者，它们的工作很明确就是在每一次对应的 Tick 过程中，对应的观察者查找有没有对应的事件执行，如果有，那么取出来执行。

浏览器的事件来源于用户的交互和一些网络请求比如 ajax 等， Nodejs 中，事件来源于网络请求 http ，文件 I/O 等，这些事件都有对应的观察者，我这里枚举出一些重要的观察者。

• 文件 I/O 操作 —— I/O 观察者；
• 网络 I/O 操作 —— 网络 I/O 观察者；
• process.nextTick —— idle 观察者
• setImmediate —— check 观察者
• setTimeout/setInterval —— 延时器观察者
• ...

在 Nodejs 中，对应观察者接收对应类型的事件，事件循环过程中，会向这些观察者询问有没有该执行的任务，如果有，那么观察者会取出任务，交给事件循环去执行。

请求对象与线程池

从 JavaScript 调用到计算机系统执行完 I/O 回调，请求对象充当着很重要的作用，我们还是以一次异步 I/O 操作为例

请求对象： 比如之前调用 fs.readFile ，本质上调用 libuv 上的方法创建一个请求对象。这个请求对象上保留着此次 I/O 请求的信息，包括此次 I/O 的主体和回调函数等。然后异步调用的第一阶段就完成了，JavaScript 会继续往下执行执行栈上的代码逻辑，当前的 I/O 操作将以请求对象的形式放入到线程池中，等待执行。达到了异步 I/O 的目的。

线程池： Nodejs 的线程池在 Windows 下有内核（ IOCP ）提供，在 Unix 系统中由 libuv 自行实现， 线程池用来执行部分的 I/O （系统文件的操作），线程池大小默认为 4 ，多个文件系统操作的请求可能阻塞到一个线程中。那么线程池里面的 I/O 操作是怎么执行的呢？ 上一步说到，一次异步 I/O 会把请求对象放在线程池中，首先会判断当前线程池是否有可用的线程，如果线程可用，那么会执行请求对象的 I/O 操作，并把执行后的结果返回给请求对象。在事件循环中的 I/O 处理阶段，I/O 观察者会获取到已经完成的 I/O 对象，然后取出回调函数和结果调用执行。I/O 回调函数就这样执行，而且在回调函数的参数重获取到结果。

异步 I/O 操作机制

上述讲了整个异步 I/O 的执行流程，从一个异步 I/O 的触发，到 I/O 回调到执行。事件循环 ，观察者 ，请求对象 ，线程池 构成了整个异步 I/O 执行模型。

用一幅图表示四者的关系：

总结上述过程：

• 第一阶段：每一次异步 I/O 的调用，首先在 nodejs 底层设置请求参数和回调函 callback，形成请求对象。

• 第二阶段：形成的请求对象，会被放入线程池，如果线程池有空闲的 I/O 线程，会执行此次 I/O 任务，得到结果。

• 第三阶段：事件循环中 I/O 观察者，会从请求对象中找到已经得到结果的 I/O 请求对象，取出结果和回调函数，将回调函数放入事件循环中，执行回调，完成整个异步 I/O 任务。

• 对于如何感知异步 I/O 任务执行完毕的？以及如何获取完成的任务的呢？ libuv 作为中间层， 在不同平台上，采用手段不同，在 unix 下通过 epoll 轮询，在 Windows 下通过内核（ IOCP ）来实现 ，FreeBSD 下通过 kqueue 实现。

事件循环

事件循环机制由宿主环境实现

上述中已经提及了事件循环不是 JavaScript 引擎的一部分 ，事件循环机制由宿主环境实现，所以不同宿主环境下事件循环不同 ，不同宿主环境指的是浏览器环境还是 nodejs 环境 ，但在不同操作系统中，nodejs 的宿主环境也是不同的，接下来用一幅图描述一下 Nodejs 中的事件循环和 javascript 引擎之间的关系。

以 libuv 下 nodejs 的事件循环为参考，关系如下：

以浏览器下 javaScript 的事件循环为参考，关系如下：

事件循环本质上就像一个 while 循环，如下所示，我来用一段代码模拟事件循环的执行流程。

const queue = [ ... ]   // queue 里面放着待处理事件
while(true){
    //开始循环
    //执行 queue 中的任务
    //....

    if(queue.length ===0){
       return // 退出进程
    }
}

• Nodejs 启动后，就像创建一个 while 循环一样，queue 里面放着待处理的事件，每一次循环过程中，如果还有事件，那么取出事件，执行事件，如果存在事件关联的回调函数，那么执行回调函数，然后开始下一次循环。
• 如果循环体中没有事件，那么将退出进程。

我总结了流程图如下所示：

那么如何事件循环是如何处理这些任务的呢？我们列出 Nodejs 中一些常用的事件任务：

• setTimeout 或 setInterval 延时器计时器。
• 异步 I/O 任务：文件任务 ，网络请求等。
• setImmediate 任务。
• process.nextTick 任务。
• Promise 微任务。

接下来会一一讲到 ，这些任务的原理以及 nodejs 是如何处理这些任务的。

1 事件循环阶段

对于不同的事件任务，会在不同的事件循环阶段执行。根据 nodejs 官方文档，在通常情况下，nodejs 中的事件循环根据不同的操作系统可能存在特殊的阶段，但总体是可以分为以下 6 个阶段 （代码块的六个阶段） ：

/*
   ┌───────────────────────────┐
┌─>│           timers          │     -> 定时器，延时器的执行    
│  └─────────────┬─────────────┘
│  ┌─────────────┴─────────────┐
│  │     pending callbacks     │     -> i/o
│  └─────────────┬─────────────┘
│  ┌─────────────┴─────────────┐
│  │       idle, prepare       │
│  └─────────────┬─────────────┘      ┌───────────────┐
│  ┌─────────────┴─────────────┐      │   incoming:   │
│  │           poll            │<─────┤  connections, │
│  └─────────────┬─────────────┘      │   data, etc.  │
│  ┌─────────────┴─────────────┐      └───────────────┘
│  │           check           │
│  └─────────────┬─────────────┘
│  ┌─────────────┴─────────────┐
└──┤      close callbacks      │
   └───────────────────────────┘
*/

• 第一阶段： timer ，timer 阶段主要做的事是，执行 setTimeout 或 setInterval 注册的回调函数。

• 第二阶段：pending callback ，大部分 I/O 回调任务都是在 poll 阶段执行的，但是也会存在一些上一次事件循环遗留的被延时的 I/O 回调函数，那么此阶段就是为了调用之前事件循环延迟执行的 I/O 回调函数。

• 第三阶段：idle prepare 阶段，仅用于 nodejs 内部模块的使用。

• 第四阶段：poll 轮询阶段，这个阶段主要做两件事，一这个阶段会执行异步 I/O 的回调函数； 二 计算当前轮询阶段阻塞后续阶段的时间。

• 第五阶段：check阶段，当 poll 阶段回调函数队列为空的时候，开始进入 check 阶段，主要执行 setImmediate 回调函数。

• 第六阶段：close阶段，执行注册 close 事件的回调函数。

对于每一个阶段的执行特点和对应的事件任务，我接下来会详细剖析。我们看一下六个阶段在底层源码中是怎么样体现的。

我们看一下 libuv 下 nodejs 的事件循环的源代码（在 unix 和 win 有点差别，不过不影响流程，这里以 unix 为例子。）：

libuv/src/unix/core.c

int uv_run(uv_loop_t* loop, uv_run_mode mode) {
  // 省去之前的流程。
  while (r != 0 && loop->stop_flag == 0) {

    /* 更新事件循环的时间 */ 
    uv__update_time(loop);

    /*第一阶段： timer 阶段执行  */
    uv__run_timers(loop);

    /*第二阶段： pending 阶段 */
    ran_pending = uv__run_pending(loop);

    /*第三阶段： idle prepare 阶段 */
    uv__run_idle(loop);
    uv__run_prepare(loop);

    timeout = 0;
    if ((mode == UV_RUN_ONCE && !ran_pending) || mode == UV_RUN_DEFAULT)
     /* 计算 timeout 时间  */
      timeout = uv_backend_timeout(loop);
    
    /* 第四阶段：poll 阶段 */
    uv__io_poll(loop, timeout);

    /* 第五阶段：check 阶段 */
    uv__run_check(loop);
    /* 第六阶段： close 阶段  */
    uv__run_closing_handles(loop);
    /* 判断当前线程还有任务 */ 
     r = uv__loop_alive(loop);

    /* 省去之后的流程 */
  }
  return r;
}

• 我们看到六个阶段是按序执行的，只有完成上一阶段的任务，才能进行下一阶段
• 当 uv__loop_alive 判断当前事件循环没有任务，那么退出线程。

2 任务队列

在整个事件循环过程中，有四个队列（实际的数据结构不是队列）是在 libuv 的事件循环中进行的，还有两个队列是在 nodejs 中执行的分别是 promise 队列 和 nextTick 队列。

在 NodeJS 中不止一个队列，不同类型的事件在它们自己的队列中入队。在处理完一个阶段后，移向下一个阶段之前，事件循环将会处理两个中间队列，直到两个中间队列为空。

libuv 处理任务队列

事件循环的每一个阶段，都会执行对应任务队列里面的内容。

• timer 队列（ PriorityQueue ）：本质上的数据结构是二叉最小堆，二叉最小堆的根节点获取最近的时间线上的 timer 对应的回调函数。

• I/O 事件队列：存放 I/O 任务。

• Immediate 队列（ ImmediateList ）：多个 Immediate ，node 层用链表数据结构储存。

• 关闭回调事件队列：放置待 close 的回调函数。

非 libuv 中间队列

• nextTick 队列 ： 存放 nextTick 的回调函数。这个是在 nodejs 中特有的。
• Microtasks 微队列 Promise ： 存放 promise 的回调函数。

中间队列的执行特点：

• 首先要明白两个中间队列并非在 libuv 中被执行，它们都是在 nodejs 层执行的，在 libuv 层处理每一个阶段的任务之后，会和 node 层进行通讯，那么会优先处理两个队列中的任务。

• nextTick 任务的优先级要大于 Microtasks 任务中的 Promise 回调。也就是说 node 会首先清空 nextTick 中的任务，然后才是 Promise 中的任务。为了验证这个结论，例举一个打印结果的题目如下：

/* TODO: 打印顺序  */
setTimeout(()=>{
    console.log('setTimeout 执行')
},0)

const p = new Promise((resolve)=>{
     console.log('Promise执行')
     resolve()
})
p.then(()=>{
    console.log('Promise 回调执行')
})

process.nextTick(()=>{
    console.log('nextTick 执行')
})
console.log('代码执行完毕')

如上代码块中的 nodejs 中的执行顺序是什么？

效果：

打印结果：Promise执行 -> 代码执行完毕 -> nextTick 执行 -> Promise 回调执行 -> setTimeout 执行

解释：很好理解为什么这么打印，在主代码事件循环中， Promise执行 和 代码执行完毕 最先被打印，nextTick 被放入 nextTick 队列中，Promise 回调放入 Microtasks 队列中，setTimeout 被放入 timer 堆中。接下来主循环完成，开始清空两个队列中的内容，首先清空 nextTick 队列，nextTick 执行 被打印，接下来清空 Microtasks 队列，Promise 回调执行 被打印，最后再判断事件循环 loop 中还有 timer 任务，那么开启新的事件循环 ，首先执行，timer 任务，setTimeout 执行被打印。 整个流程完毕。

• 无论是 nextTick 的任务，还是 promise 中的任务， 两个任务中的代码会阻塞事件循环的有序进行，导致 I/O 饿死的情况发生，所以需要谨慎处理两个任务中的逻辑。比如如下：

/* TODO: 阻塞 I/O 情况 */
process.nextTick(()=>{
    const now = +new Date()
    /* 阻塞代码三秒钟 */
    while( +new Date() < now + 3000 ){}
})

fs.readFile('./file.js',()=>{
    console.log('I/O: file ')
})

setTimeout(() => {
    console.log('setTimeout: ')
}, 0);

效果：

• 三秒钟， 事件循环中的 timer 任务和 I/O 任务，才被有序执行。也就是说 nextTick 中的代码，阻塞了事件循环的有序进行。

3 事件循环流程图

接下来用流程图，表示事件循环的六大阶段的执行顺序，以及两个优先队列的执行逻辑。

4 timer 阶段 -> 计时器 timer / 延时器 interval

延时器计时器观察者（Expired timers and intervals）：延时器计时器观察者用来检查通过 setTimeout 或 setInterval创建的异步任务，内部原理和异步 I/O 相似，不过定期器/延时器内部实现没有用线程池。通过setTimeout 或 setInterval定时器对象会被插入到延时器计时器观察者内部的二叉最小堆中，每次事件循环过程中，会从二叉最小堆顶部取出计时器对象，判断 timer/interval 是否过期，如果有，然后调用它，出队。再检查当前队列的第一个，直到没有过期的，移到下一个阶段。

libuv 层如何处理 timer

首先一起看一下 libuv 层是如何处理的 timer

libuv/src/timer.c

void uv__run_timers(uv_loop_t* loop) {
  struct heap_node* heap_node;
  uv_timer_t* handle;

  for (;;) {
    /* 找到 loop 中 timer_heap 中的根节点 （ 值最小 ） */  
    heap_node = heap_min((struct heap*) &loop->timer_heap);
    /*  */
    if (heap_node == NULL)
      break;

    handle = container_of(heap_node, uv_timer_t, heap_node);
    if (handle->timeout > loop->time)
      /*  执行时间大于事件循环事件，那么不需要在此次 loop 中执行  */
      break;

    uv_timer_stop(handle);
    uv_timer_again(handle);
    handle->timer_cb(handle);
  }
}

• 如上 handle timeout 可以理解成过期时间，也就是计时器回到函数的执行时间。
• 当 timeout 大于当前事件循环的开始时间时，即表示还没有到执行时机，回调函数还不应该被执行。那么根据二叉最小堆的性质，父节点始终比子节点小，那么根节点的时间节点都不满足执行时机的话，其他的 timer 也不满足执行时间。此时，退出 timer 阶段的回调函数执行，直接进入事件循环下一阶段。
• 当过期时间小于当前事件循环 tick 的开始时间时，表示至少存在一个过期的计时器，那么循环迭代计时器最小堆的根节点，并调用该计时器所对应的回调函数。每次循环迭代时都会更新最小堆的根节点为最近时间节点的计时器。

如上是 timer 阶段在 libuv 中执行特点。接下里分析一下 node 中是如何处理定时器延时器的。

node 层如何处理 timer

在 Nodejs 中 setTimeout 和 setInterval 是 nodejs 自己实现的，来一起看一下实现细节：

node/lib/timers.js

function setTimeout(callback，after){
    //...
    /* 判断参数逻辑 */
    //..
    /* 创建一个 timer 观察者 */
    const timeout = new Timeout(callback, after, args, false, true);
    /* 将 timer 观察者插入到 timer 堆中  */
    insert(timeout, timeout._idleTimeout);

    return timeout;
}

• setTimeout： 逻辑很简单，就是创建一个 timer 时间观察者，然后放入计时器堆中。

那么 Timeout 做了些什么呢？

node/lib/internal/timers.js

function Timeout(callback, after, args, isRepeat, isRefed) {
  after *= 1 
  if (!(after >= 1 && after <= 2 ** 31 - 1)) {
    after = 1 // 如果延时器 timeout 为 0 ，或者是大于 2 ** 31 - 1 ，那么设置成 1 
  }
  this._idleTimeout = after; // 延时时间 
  this._idlePrev = this;
  this._idleNext = this;
  this._idleStart = null;
  this._onTimeout = null;
  this._onTimeout = callback; // 回调函数
  this._timerArgs = args;
  this._repeat = isRepeat ? after : null;
  this._destroyed = false;  

  initAsyncResource(this, 'Timeout');
}

• 在 nodejs 中无论 setTimeout 还是 setInterval 本质上都是 Timeout 类。超出最大时间阀 2 ** 31 - 1 或者 setTimeout(callback, 0) ，_idleTimeout 会被设置成 1 ，转换为 setTimeout(callback, 1) 来执行。

timer 处理流程图

用一副流程图描述一下，我们创建一个 timer ，再到 timer 在事件循环里面执行的流程。

timer 特性

这里有两点需要注意：

• 执行机制 ：延时器计时器观察者，每一次都会执行一个，执行一个之后会清空 nextTick 和 Promise， 过期时间是决定两者是否执行的重要因素，还有一点 poll 会计算阻塞 timer 执行的时间，对 timer 阶段任务的执行也有很重要的影响。

验证结论一次执行一个 timer 任务 ，先来看一段代码片段：

setTimeout(()=>{
    console.log('setTimeout1:')
    process.nextTick(()=>{
        console.log('nextTick')
    })
},0)
setTimeout(()=>{
    console.log('setTimeout2:')
},0)

打印结果：

nextTick 队列是在事件循环的每一阶段结束执行的，两个延时器的阀值都是 0 ，如果在 timer 阶段一次性执行完，过期任务的话，那么打印 setTimeout1 -> setTimeout2 -> nextTick ，实际上先执行一个 timer 任务，然后执行 nextTick 任务，最后再执行下一个 timer 任务。

• 精度问题 ：关于 setTimeout 的计数器问题，计时器并非精确的，尽管在 nodejs 的事件循环非常的快，但是从延时器 timeout 类的创建，会占用一些事件，再到上下文执行， I/O 的执行，nextTick 队列执行，Microtasks 执行，都会阻塞延时器的执行。甚至在检查 timer 过期的时候，也会消耗一些 cpu 时间。

• 性能问题 ：如果想用 setTimeout(fn,0) 来执行一些非立即调用的任务，那么性能上不如 process.nextTick 实在，首先 setTimeout 精度不够，还有一点就是里面有定时器对象，并需要在 libuv 底层执行，占用一定性能，所以可以用 process.nextTick 解决这种场景。

5 pending 阶段

pending 阶段用来处理此次事件循环之前延时的 I/O 回调函数。首先看一下在 libuv 中执行时机。

libuv/src/unix/core.c

static int uv__run_pending(uv_loop_t* loop) {
  QUEUE* q;
  QUEUE pq;
  uv__io_t* w
  /* pending_queue 为空，清空队列 ，返回 0  */
  if (QUEUE_EMPTY(&loop->pending_queue))
    return 0;
  
  QUEUE_MOVE(&loop->pending_queue, &pq);
  while (!QUEUE_EMPTY(&pq)) { /* pending_queue 不为空的情况，清空 I/O 回调。返回 1  */
    q = QUEUE_HEAD(&pq);
    QUEUE_REMOVE(q);
    QUEUE_INIT(q);
    w = QUEUE_DATA(q, uv__io_t, pending_queue);
    w->cb(loop, w, POLLOUT);
  }
  return 1;
}

• 如果存放 I/O 回调的任务的 pending_queue 是空的，那么直接返回 0。
• 如果 pending_queue 有 I/O 回调任务，那么执行回调任务。

6 idle, prepare 阶段

idle 做一些 libuv 一些内部操作， prepare 为接下来的 I/O 轮询做一些准备工作。接下来一起解析一下比较重要 poll 阶段。

7 poll I / O 轮询阶段

在正式讲解 poll 阶段做哪些事情之前，首先看一下，在 libuv 中，轮询阶段的执行逻辑：

  timeout = 0;
    if ((mode == UV_RUN_ONCE && !ran_pending) || mode == UV_RUN_DEFAULT)
      /* 计算 timeout   */
      timeout = uv_backend_timeout(loop);
      /* 进入 I/O 轮询 */
      uv__io_poll(loop, timeout);

• 初始化超时时间 timeout = 0 ，通过 uv_backend_timeout 计算本次 poll 阶段的超时时间。超时时间会影响到异步 I/O 和后续事件循环的执行。

timeout代表什么

首先要明白不同 timeout ，在 I/O 轮询中代表什么意思。

• 当 timeout = 0 的时候，说明 poll 阶段不会阻塞事件循环的进行，那么说明有更迫切执行的任务。那么当前的 poll 阶段不会发生阻塞，会尽快进入下一阶段，尽快结束当前 tick，进入下一次事件循环，那么这些紧急任务将被执行。
• 当 timeout = -1时，说明会一直阻塞事件循环，那么此时就可以停留在异步 I/O 的 poll 阶段，等待新的 I/O 任务完成。
• 当 timeout等于常数的情况，说明此时 io poll 循环阶段能够停留的时间，那么什么时候会存在 timeout 为常数呢，将马上揭晓。

获取timeout

timeout 的获取是通过 uv_backend_timeout 那么如何获得的呢？

int uv_backend_timeout(const uv_loop_t* loop) {
    /* 当前事件循环任务停止 ，不阻塞 */
  if (loop->stop_flag != 0)
    return 0;
   /* 当前事件循环 loop 不活跃的时候 ，不阻塞 */
  if (!uv__has_active_handles(loop) && !uv__has_active_reqs(loop))
    return 0;
  /* 当 idle 句柄队列不为空时，返回 0，即不阻塞。 */
  if (!QUEUE_EMPTY(&loop->idle_handles))
    return 0;
   /* i/o pending 队列不为空的时候。 */  
  if (!QUEUE_EMPTY(&loop->pending_queue))
    return 0;
   /* 有关闭回调 */
  if (loop->closing_handles)
    return 0;
  /* 计算有没有延时最小的延时器 ｜ 定时器 */
  return uv__next_timeout(loop);
}

uv_backend_timeout 主要做的事情是：

• 当前事件循环停止时，不阻塞。
• 当前事件循环 loop 不活跃的时候 ，不阻塞。
• 当 idle 队列 （ setImmediate ） 不为空时，返回 0，不阻塞。
• i/o pending 队列不为空的时候，不阻塞。
• 有关闭回调函数的时候，不阻塞。
• 如果上述均不满足，那么通过 uv__next_timeout 计算有没有延时阀值最小的定时器 ｜ 延时器（ 最急迫执行 ），返回延时时间。

接下来看一下 uv__next_timeout 逻辑。

int uv__next_timeout(const uv_loop_t* loop) {
  const struct heap_node* heap_node;
  const uv_timer_t* handle;
  uint64_t diff;
  /* 找到延时时间最小的 timer  */
  heap_node = heap_min((const struct heap*) &loop->timer_heap);
  if (heap_node == NULL) /* 如何没有 timer，那么返回 -1 ，一直进入 poll 状态  */
    return -1; 

  handle = container_of(heap_node, uv_timer_t, heap_node);
   /* 有过期的 timer 任务，那么返回 0，poll 阶段不阻塞 */
  if (handle->timeout <= loop->time)
    return 0;
  /* 返回当前最小阀值的 timer 与 当前事件循环的事件相减，得出来的时间，可以证明 poll 可以停留多长时间 */ 
  diff = handle->timeout - loop->time;
  return (int) diff;
}

uv__next_timeout 做的事情如下：

• 找到时间阀值最小的 timer （最优先执行的），如何没有 timer，那么返回 -1 。poll 阶段将无限制阻塞。这样的好处是一旦有 I/O 执行完毕 ，I/O 回调函数会直接加入到 poll ，接下来就会执行对应的回调函数。
• 如果有 timer ，但是 timeout <= loop.time 证明已经过期了，那么返回 0，poll 阶段不阻塞，优先执行过期任务。
• 如果没有过期，返回当前最小阀值的 timer 与 当前事件循环的事件相减得值，即是可以证明 poll 可以停留多长时间。当停留完毕，证明有过期 timer ，那么进入到下一个 tick。

执行io_poll

接下来就是 uv__io_poll 真正的执行，里面有一个 epoll_wait 方法，根据 timeout ，来轮询有没有 I/O 完成，有得话那么执行 I/O 回调。这也是 unix 下异步I/O 实现的重要环节。

poll阶段本质

接下来总结一下 poll 阶段的本质：

• poll 阶段就是通过 timeout 来判断，是否阻塞事件循环。poll 也是一种轮询，轮询的是 i/o 任务，事件循环倾向于 poll 阶段的持续进行，其目的就是更快的执行 I/O 任务。如果没有其他任务，那么将一直处于 poll 阶段。
• 如果有其他阶段更紧急待执行的任务，比如 timer ，close ，那么 poll 阶段将不阻塞，会进行下一个 tick 阶段。

poll 阶段流程图

我把整个 poll 阶段做的事用流程图表示，省去了一些细枝末节。

8 check 阶段

如果 poll 阶段进入 idle 状态并且 setImmediate 函数存在回调函数时，那么 poll 阶段将打破无限制的等待状态，并进入 check 阶段执行 check 阶段的回调函数。

check 做的事就是处理 setImmediate 回调。，先来看一下 Nodejs 中是怎么定义的 setImmediate。

Nodejs 底层中的 setImmediate

setImmediate定义

node/lib/timer.js

function setImmediate(callback, arg1, arg2, arg3) {
  validateCallback(callback); /* 校验一下回调函数 */
   /* 创建一个 Immediate 类   */
   return new Immediate(callback, args);
}

• 当调用 setImmediate 本质上调用 nodejs 中的 setImmediate 方法，首先校验回调函数，然后创建一个 Immediate 类。接下来看一下 Immediate 类。

node/lib/internal/timers.js

class Immediate{
   constructor(callback, args) {
    this._idleNext = null;
    this._idlePrev = null; /* 初始化参数 */
    this._onImmediate = callback;
    this._argv = args;
    this._destroyed = false;
    this[kRefed] = false;

    initAsyncResource(this, 'Immediate');
    this.ref();
    immediateInfo[kCount]++;
    
    immediateQueue.append(this); /* 添加 */
  }
}

• Immediate 类会初始化一些参数，然后将当前 Immediate 类，插入到 immediateQueue 链表中。
• immediateQueue 本质上是一个链表，存放每一个 Immediate。

setImmediate执行

poll 阶段之后，会马上到 check 阶段，执行 immediateQueue 里面的 Immediate。 在每一次事件循环中，会先执行一个setImmediate 回调，然后清空 nextTick 和 Promise 队列的内容。为了验证这个结论，同样和 setTimeout 一样，看一下如下代码块：

setImmediate(()=>{
    console.log('setImmediate1')
    process.nextTick(()=>{
        console.log('nextTick')
    })
})

setImmediate(()=>{
    console.log('setImmediate2')
})

打印 setImmediate1 -> nextTick -> setImmediate2 ，在每一次事件循环中，执行一个 setImmediate ，然后执行清空 nextTick 队列，在下一次事件循环中，执行另外一个 setImmediate2 。

setImmediate执行流程图

setTimeout & setImmediate

接下来对比一下 setTimeout 和 setImmediate，如果开发者期望延时执行的异步任务，那么接下来对比一下 setTimeout(fn,0) 和 setImmediate(fn) 区别。

• setTimeout 是 用于在设定阀值的最小误差内，执行回调函数，setTimeout 存在精度问题，创建 setTimeout 和 poll 阶段都可能影响到 setTimeout 回调函数的执行。
• setImmediate 在 poll 阶段之后，会马上进入 check 阶段，会执行 setImmediate回调。

如果 setTimeout 和 setImmediate 在一起，那么谁先执行呢？

首先写一个 demo：

setTimeout(()=>{
    console.log('setTimeout')
},0)

setImmediate(()=>{
    console.log( 'setImmediate' )
})

猜测

先猜测一下，setTimeout 发生 timer 阶段，setImmediate 发生在 check 阶段，timer 阶段早于 check 阶段，那么 setTimeout 优先于 setImmediate 打印。但事实是这样吗？

实际打印结果

从以上打印结果上看， setTimeout 和 setImmediate 执行时机是不确定的，为什么会造成这种情况，上文中讲到即使 setTimeout 第二个参数为 0，在 nodejs 中也会被处理 setTimeout(fn,1)。当主进程的同步代码执行之后，会进入到事件循环阶段，第一次进入 timer 中，此时 settimeout 对应的 timer 的时间阀值为 1，若在前文 uv__run_timer(loop) 中，系统时间调用和时间比较的过程总耗时没有超过 1ms 的话，在 timer 阶段会发现没有过期的计时器，那么当前 timer 就不会执行，接下来到 check 阶段，就会执行 setImmediate 回调，此时的执行顺序是： setImmediate -> setTimeout。

但是如果总耗时超过一毫秒的话，执行顺序就会发生变化，在 timer 阶段，取出过期的 setTimeout 任务执行，然后到 check 阶段，再执行 setImmediate ，此时 setTimeout -> setImmediate。

造成这种情况发生的原因是：timer 的时间检查距当前事件循环 tick 的间隔可能小于 1ms 也可能大于 1ms 的阈值，所以决定了 setTimeout 在第一次事件循环执行与否。

接下来我用代码阻塞的情况，会大概率造成 setTimeout 一直优先于 setImmediate 执行。

/* TODO:  setTimeout & setImmediate */
setImmediate(()=>{
    console.log( 'setImmediate' )
})

setTimeout(()=>{
    console.log('setTimeout')
},0)
/* 用 100000 循环阻塞代码，促使 setTimeout 过期 */
for(let i=0;i<100000;i++){
}

效果：

100000 循环阻塞代码，这样会让 setTimeout 超过时间阀值执行，这样就保证了每次先执行 setTimeout -> setImmediate 。

特殊情况：确定顺序一致性。我们看一下特殊的情况。

const fs = require('fs')
fs.readFile('./file.js',()=>{
    setImmediate(()=>{
        console.log( 'setImmediate' )
    })
    setTimeout(()=>{
        console.log('setTimeout')
    },0)
})

如上情况就会造成，setImmediate 一直优先于 setTimeout 执行，至于为什么，来一起分析一下原因。

• 首先分析一下异步任务——主进程中有一个异步 I/O 任务，I/O 回调中有一个 setImmediate 和 一个 setTimeout 。
• 在 poll 阶段会执行 I/O 回调。然后处理一个 setImmediate

万变不离其宗，只要掌握了如上各个阶段的特性，那么对于不同情况的执行情况，就可以清晰的分辨出来。

9 close 阶段

close 阶段用于执行一些关闭的回调函数。执行所有的 close 事件。接下来看一下 close 事件 libuv 的实现。

libuv/src/unix/core.c

static void uv__run_closing_handles(uv_loop_t* loop) {
  uv_handle_t* p;
  uv_handle_t* q;

  p = loop->closing_handles;
  loop->closing_handles = NULL;

  while (p) {
    q = p->next_closing;
    uv__finish_close(p);
    p = q;
  }
}

• uv__run_closing_handles 这个方法循环执行 close 队列里面的回调函数。

10 Nodejs 事件循环总结

接下来总结一下 Nodejs 事件循环。

• Nodejs 的事件循环分为 6 大阶段。分别为 timer 阶段，pending 阶段，prepare 阶段，poll 阶段， check 阶段，close 阶段。

• nextTick 队列和 Microtasks 队列执行特点，在每一阶段完成后执行， nextTick 优先级大于 Microtasks （ Promise ）。

• poll 阶段主要处理 I/O，如果没有其他任务，会处于轮询阻塞阶段。

• timer 阶段主要处理定时器/延时器，它们并非准确的，而且创建需要额外的性能浪费，它们的执行还收到 poll 阶段的影响。

• pending 阶段处理 I/O 过期的回调任务。

• check 阶段处理 setImmediate。 setImmediate 和 setTimeout 执行时机和区别。

Nodejs事件循环习题演练

接下来为了更清楚事件循环流程，这里出两道事件循环的问题。作为实践：

习题一

process.nextTick(function(){
    console.log('1');
});
process.nextTick(function(){
    console.log('2');
     setImmediate(function(){
        console.log('3');
    });
    process.nextTick(function(){
        console.log('4');
    });
});

setImmediate(function(){
    console.log('5');
     process.nextTick(function(){
        console.log('6');
    });
    setImmediate(function(){
        console.log('7');
    });
});

setTimeout(e=>{
    console.log(8);
    new Promise((resolve,reject)=>{
        console.log(8+'promise');
        resolve();
    }).then(e=>{
        console.log(8+'promise+then');
    })
},0)

setTimeout(e=>{ console.log(9); },0)

setImmediate(function(){
    console.log('10');
    process.nextTick(function(){
        console.log('11');
    });
    process.nextTick(function(){
        console.log('12');
    });
    setImmediate(function(){
        console.log('13');
    });
});

console.log('14');
 new Promise((resolve,reject)=>{
    console.log(15);
    resolve();
}).then(e=>{
    console.log(16);
})

如果刚看这个 demo 可以会发蒙，不过上述讲到了整个事件循环，再来看这个问题就很轻松了，下面来分析一下整体流程：

• 第一阶段： 首先开始启动 js 文件，那么进入第一次事件循环，那么先会执行同步任务：

最先打印：

打印console.log('14');

打印console.log(15);

nextTick 队列：

nextTick -> console.log(1) nextTick -> console.log(2) -> setImmediate(3) -> nextTick(4)

Promise队列

Promise.then(16)

check队列

setImmediate(5) -> nextTick(6) -> setImmediate(7) setImmediate(10) -> nextTick(11) -> nextTick(12) -> setImmediate(13)

timer队列

setTimeout(8) -> promise(8+'promise') -> promise.then(8+'promise+then') setTimeout(9)

• 第二阶段：在进入新的事件循环之前，清空 nextTick 队列，和 promise 队列，顺序是 nextTick 队列大于 Promise 队列。

清空 nextTick ，打印：

console.log('1');

console.log('2');

执行第二个 nextTick 的时候，又有一个 nextTick ，所以会把这个 nextTick 也加入到队列中。接下来马上执行。

console.log('4')

接下来清空Microtasks

console.log(16);

此时的 check 队列加入了新的 setImmediate。

check队列setImmediate(5) -> nextTick(6) -> setImmediate(7) setImmediate(10) -> nextTick(11) -> nextTick(12) -> setImmediate(13) setImmediate(3)

• 然后进入新的事件循环，首先执行 timer 里面的任务。执行第一个 setTimeout。

执行第一个 timer:

console.log(8);

此时发现一个 Promise 。在正常的执行上下文中：

console.log(8+'promise');

然后将 Promise.then 加入到 nextTick 队列中。接下里会马上清空 nextTick 队列。

console.log(8+'promise+then');

执行第二个 timer:

console.log(9)

• 接下来到了 check 阶段，执行 check 队列里面的内容：

执行第一个 check:

console.log(5);

此时发现一个 nextTick ，然后还有一个 setImmediate 将 setImmediate 加入到 check 队列中。然后执行 nextTick 。

console.log(6)

执行第二个 check

console.log(10)

此时发现两个 nextTick 和一个 setImmediate 。接下来清空 nextTick 队列。将 setImmediate 添加到队列中。

console.log(11)

console.log(12)

此时的 check 队列是这样的：

setImmediate(3) setImmediate(7) setImmediate(13)

接下来按顺序清空 check 队列。打印

console.log(3)

console.log(7)

console.log(13)

到此为止，执行整个事件循环。那么整体打印内容如下：

总结

本文主要讲的内容如下：

• 异步 I/O 介绍及其内部原理。
• Nodejs 的事件循环，六大阶段。
• Nodejs 中 setTimeout ，setImmediate ， 异步 i/o ，nextTick ，Promise 的原理及其区别。
• Nodejs 事件循环实践。

原文地址：https://juejin.cn/post/7002106372200333319

作者：我不是外星人

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以上就是Nodejs进阶学习：深入了解异步I/O和事件循环的详细内容，更多请关注AdminJS其它相关文章！