Node.js 异步式 I/O 与事件式编程

1. 阻塞与线程

什么是阻塞（block）呢？线程在执行中如果遇到磁盘读写或网络通信（统称为 I/O 操作），
通常要耗费较长的时间，这时操作系统会剥夺这个线程的 CPU 控制权，使其暂停执行，同
时将资源让给其他的工作线程，这种线程调度方式称为 阻塞。当 I/O 操作完毕时，操作系统
将这个线程的阻塞状态解除，恢复其对CPU的控制权，令其继续执行。这种 I/O 模式就是通
常的同步式 I/O（Synchronous I/O）或阻塞式 I/O （Blocking I/O）。

相应地，异步式 I/O （Asynchronous I/O）或非阻塞式 I/O （Non-blocking I/O）则针对
所有 I/O 操作不采用阻塞的策略。当线程遇到 I/O 操作时，不会以阻塞的方式等待 I/O 操作
的完成或数据的返回，而只是将 I/O 请求发送给操作系统，继续执行下一条语句。当操作
系统完成 I/O 操作时，以事件的形式通知执行 I/O 操作的线程，线程会在特定时候处理这个
事件。为了处理异步 I/O，线程必须有事件循环，不断地检查有没有未处理的事件，依次予
以处理。

阻塞模式下，一个线程只能处理一项任务，要想提高吞吐量必须通过多线程。而非阻塞
模式下，一个线程永远在执行计算操作，这个线程所使用的 CPU 核心利用率永远是 100%，
I/O 以事件的方式通知。在阻塞模式下，多线程往往能提高系统吞吐量，因为一个线程阻塞
时还有其他线程在工作，多线程可以让 CPU 资源不被阻塞中的线程浪费。而在非阻塞模式
下，线程不会被 I/O 阻塞，永远在利用 CPU。多线程带来的好处仅仅是在多核 CPU 的情况
下利用更多的核，而Node.js的单线程也能带来同样的好处。这就是为什么 Node.js 使用了单
线程、非阻塞的事件编程模式。

单线程事件驱动的异步式 I/O 比传统的多线程阻塞式 I/O 究竟好在哪里呢？简而言之，
异步式 I/O 就是少了多线程的开销。对操作系统来说，创建一个线程的代价是十分昂贵的，
需要给它分配内存、列入调度，同时在线程切换的时候还要执行内存换页，CPU 的缓存被
清空，切换回来的时候还要重新从内存中读取信息，破坏了数据的局部性。①
当然，异步式编程的缺点在于不符合人们一般的程序设计思维，容易让控制流变得晦涩
难懂，给编码和调试都带来不小的困难。

2. 事件循环机制

Node.js 在什么时候会进入事件循环呢？答案是 Node.js 程序由事件循环开始，到事件循
环结束，所有的逻辑都是事件的回调函数，所以 Node.js 始终在事件循环中，程序入口就是
事件循环第一个事件的回调函数。事件的回调函数在执行的过程中，可能会发出 I/O 请求或
直接发射（emit）事件，执行完毕后再返回事件循环，事件循环会检查事件队列中有没有未
处理的事件，直到程序结束。