1 nodejs 中的異步存在嗎？
現在有點 javascript 基礎的人都在聽說過 nodejs ，而只要與 javascript 打交到人都會用或者是將要使用 nodejs 。畢竟 nodejs 的生態很強大，與 javascript 相關的工具也做的很方便，很好用。
javascript 語言很小巧，但是一旦與 nodejs 中的運行環境放在一起，有些概念就很難理解，特別是異步的概念。有人會說不會啊，很好理解啊？不就是一個ajax請求加上一個回調函數，這個ajax函數就是能異步執行的函數，他在執行完了就會調用回調函數，我承認這個樣做是很容易，早些時候我甚至認為在 javascript 中加了回調函數的函數都可以異步的，異步和回調函數成對出現。多么荒謬的理解啊！
直到有一天，我在寫程序時想到一個問題：在 nodejs 中在不調用系統相關 I/O ，不調用 c++ 寫的 plugin 的情況下，寫一個異步函數？我查了資料，有人給我的答案是調用 setTimeout(fn,delay) 就變成了異步了。但是我還是不明白為什么要調用這樣一個函數，這個函數的語義跟async完全不一樣，為什么這樣就行？
帶著這個疑問，我查了很多資料，包括官方文檔，代碼，別人的blog。慢慢的理解，最后好像是知道了為什么會是這樣，整篇文章就是對所了解東西的理解。懇請大家批評指正。
說明：nodejs 的文檔是用的 v5.10.1 API，而代碼方面：nodejs 和 libuv 是用的 master 分支。
2 nodejs 的架構基礎
在探索 nodejs 的異步時，首先需要對 nodejs 架構達成統一認識：
- nodejs 有 javascript 的運行環境，目前它的實現是 chrome 的 V8 引擎。
- nodejs 基于事件驅動和非阻塞 I/O 模型，目前它的實現是 libuv。
- 當前的 libuv 是多線程的，文檔中有說明。
- nodejs 在運行時只生成了一個 javascript 運行環境 的實例，也就是說 javascript 解釋器只有一個。
- nodejs 在主線程中調用 V8 引擎的實例執行 javascript 代碼。
如果以上 5 點你不認同的話，那下面就不需要看了，看了會覺得漏洞百出。
上面的 5 點主要說明另一層意思了：
- nodejs 的 javascript 運行環境可以換，在 nodejs 官方 github
中 PR，可以看這個，微軟想把 javascript 運行環境換成自己家的。 - nodejs 的事件驅動和非阻塞 I/O 模型也可以換，目前來看 libuv 運行的不錯，大家都很高興。另外，你可能不知道，chromium 和 chrome 中使用了另一個實現
libevent2，證據在這里：鏈接。 - nodejs 不是單線程，它是多線程程序，因為 libuv 就已經是多線程了。
- 因為是嵌入式 js 引擎，只能調用宿主環境中提供的方法。當前來說，nodejs 主要把 libuv 的 io/timer 接口提供給了 js 引擎，其他的沒有提供（包括 libuv 的工作線程）。
- nodejs 也沒有提供給 js引擎
新建調用系統線程的任何方法，所以在nodejs中執行 javascript，是沒有辦法新開線程的。 - js 引擎只有一個實例且在 nodejs 的主線程中調用。
結論
- nodejs 中存在異步，集中在 I/O 和 Timer 調用這一塊，其他的地方沒有。
- js 引擎沒有異步或者并行執行可能，因為 js 引擎是在 nodejs 的主線程調用，所以 js 引擎執行的 javascript 代碼都是同步執行，沒有異步執行。所以你想寫出來一個不調用 I/O和 的異步方法，不可能。
那nodejs中常談的異步和回調是怎么回事？
3 nodejs 中的回調和異步的關系是什么？
在 javascript 中使用回調函數可所謂登峰造極，基本上所有的異步函數都會要求有一個回調函數，以至于寫 javascript 寫多了，看到回調函數的接口，都以為是異步的調用。
但是真相是回調函數，只是javascript 用來解決異步函數調用如何處理返回值這個問題的方法，或這樣來說：異步函數調用如何處理返回值這個問題上，在系統的設計方面而言，有很多辦法，而 nodejs 選擇了 javascript 的傳統方案，用回調函數來解決這個問題。
這個選擇好不好，我認為在當時來說，很合適。但隨著 javascript 被用來寫越來越大的程序，這個選擇不是一個好的選擇，因為回調函數嵌套多了真的很難受，我覺得主要是很難看，(就跟 lisp 的 )))))))))))) )，讓一般人不好接受，現在情況改善多了，因為有了Promise。
結論
- 回調函數與異步沒有關系，只是在 javascript 中用來解決異步的返回值的問題，所以異步函數必須帶一個回調函數，他們成對出現，讓人以為有關系。
- 在 javascript 中有回調不一定是異步函數，而異步必須帶一個回調函數。
4 nodejs 中怎樣解決異步的問題？
前面也說了，nodejs 的 js 引擎不能異步執行 javascript 代碼。那js中我們常使用的異步是什么意思的？
答案分為兩部分：
第一部分：與I/O和timer相關的任務，js引擎確實是異步，調用時委托 libuv 進行 I/O 和timer 的相關調用，好了之后就通知 nodejs，nodejs 然后調用 js 引擎執行 javascript 代碼；
第二部分：其它部分的任務，js 引擎把異步概念（該任務我委托別人執行，我接著執行下面的任務，別人執行完該任務后通知我）弱化成稍后執行（該任務我委托自己執行但不是現在，我接著執行下面的任務，該任務我稍后會自己執行，執行完成后通知我自己）的概念。
這就是 js 引擎中異步的全部意思。基本上等同我們常說的：我馬上做這件事。不過還是要近一步解釋一下第二部分：
- 任務不能委托給別人，都是自己做。
- 如果當前我做的事件需要很長時間，那我馬上要做的事一直推遲，等我做了完手頭這件事再說。
nodejs 中 js 引擎把異步變成了稍后執行，使寫 javascript 程序看起來像異步執行，但是并沒有減少任務，因此在 javascript 中你不能寫一個需要很長時間計算的函數（計算Pi值1000位，大型的矩陣計算），或者在一個tick（后面會說）中執行過多的任務，如果你這樣寫了，整個主線程就沒有辦法響應別的請求，反映出來的情況就是程序卡了，當然如果非要寫當然也有辦法，需要一些技巧來實現。
而 js 引擎稍后執行中稍后到底是多久，到底執行哪些任務？這些問題就與 nodejs 中四個重要的與時間有關的函數有關了，他們分別是：setTimeout，setInterval，process.nextTick，setImmediate。下面簡單了解一下這四個函數：
setTimeout 和 setInterval
setImeout 主要是延遲執行函數，其中有一個比較特別的調用：setTimeout(function(){/* code */},0)，經常見使用，為什么這樣使用看看后面。還有 setInterval 周期性調用一個函數。
setImmediate 和 process.nextTick
setImmediate 的意思翻譯過來是立刻調用的意思，但是官方文檔的解釋是：
Schedules "immediate" execution of callback after I/O events' callbacks and before timers set by setTimeout and setInterval are triggered.
翻譯過來大意就是：被 setImmediate 的設置過的函數，他的執行是在 I/O 事件的回調執行之后，在 計時器觸發的回調執行之前，也就是說在 setTimeout 和 setInterval 之前，好吧這里還有一個順序之分。
process.nextTick 可就更怪了。官方的意思是：
It runs before any additional I/O events (including timers) fire in subsequent ticks of the event loop.
翻譯過來大意就是：他運行在任何的 I/O 和定時器的 subsequent ticks 之前。
又多了很多的概念，不過別慌，在下面會講 nodejs 的EventLoop，這里講的很多的不理解地方就會在 EventLoop 中講明白。
5 nodejs 中神秘的 EventLoop
EvevtLoop大體上來說就是一個循環，它不停的檢查注冊到他的事件有沒有發生，如果發生了，就執行某些功能，一次循環通常叫tick。這里有講EventLoop，還有這里。
在 nodejs 中也存在這樣一個 EventLoop，不過它是在 libuv 中。它每一次循環叫 tick。而在每一次 tick 中會有不同的階段，每一個階段可以叫 subTick，也就說是這個tick的子tick，libuv就有很多的子 tick，如I/O 和定時器等。下面我用一張圖來表示一下，注意該循環一直在 nodejs 的主線程中運行：
+-------------+
| |
| |
| +-----v----------------------+
| | |
| | uv__update_time(loop) | subTick
| | |
| +-----+----------------------+
| |
| |
| +-----v----------------------+
| | |
| | uv__run_timers(loop) | subTick
| | |
tick| +-----+----------------------+
| |
| |
| +-----v----------------------+
| | |
| | uv__io_poll(loop, timeout) | subTick
| | |
| +-----+----------------------+
| |
| |
| +-----v----------------------+
| | |
| | uv__run_check(loop) | subTick
| | |
| +-----+----------------------+
| |
| |
| |
+-------------+
以上的流程圖已經進行了裁減，只保留重要的內容，如果你想詳細了解，可在 libuv/src/unix/core.cc，第334行：uv_run函數進行詳細了解。
下面來解釋一下各個階段的作用：
uv__update_time是用來更新定時器的時間。uv__run_timers是用來觸發定時器，并執行相關函數的地方。uv__io_poll是用來 I/O觸發后執行相關函數的地方。
uv__run_check的用處代碼中講到。
了解到 nodejs 中 EventLoop 的執行階段后，需要更深一步了解在 nodejs 中 js引擎和EvevtLoop是如何被整合在一起工作的。以下是一些偽代碼，它用來說明一些機制。
不過你需要知道在 nodejs 中 setTimeout、setInterval、setImmediate和process.nextTick都是系統級的調用，也就是他們都是c++ 來實現的。setTimeout和setInterval 可看看這個文件：timer_wrap.cc。另外兩個我再補吧。
class V8Engine {
let _jsVM;
V8Engine(){
_jsVM = /*js 執行引擎 */;
}
void invoke(handlers){
// 依次執行，直到 handlers 為空
handlers.forEach(handler,fun => _jsVM.run(handler));
}
}
class EvenLoop {
let _jsRuntime = null;
let _callbackHandlers = []; 【1】
let _processTickHandlers = []; 【2】
let _immediateHandlers = []; 【3】
// 構造函數
EvenLoop(jsRuntime){
_jsRuntime = jsRuntime;
}
void start(){
where(true){
_jsRuntime.invoke(_processTickHandlers); 【4】
_processTickHandlers.clear();
update_time();
run_timer();
run_pool();
run_check();
if (process.exit){
_jsRuntime.invoke(_processTickHandlers); 【5】
_processTickHandlers.clear();
break;
}
}
}
void update_time(){
// 更新 timer 的時間
}
void run_timer(){ 【6】
let handlers = getTimerHandler();
_callbackHandlers.push(handlers);
_jsRuntime.invoke(_callbackHandlers);
_jsRuntime.invoke(_processTickHandlers);
_callbackHandlers.clear();
_processTickHandlers.clear();
}
void run_pool(){ 【6】
let handlers = getIOHandler();
_callbackHandlers.push(handlers);
_jsRuntime.invoke(_callbackHandlers);
_jsRuntime.invoke(_processTickHandlers);
_callbackHandlers.clear();
_processTickHandlers.clear();
}
void run_check(){ 【7】
let handlers = getImmediateHandler();
_immediateHandlers.push(handlers);
_jsRuntime.invoke(_immediateHandlers);
_immediateHandlers.clear();
}
}
main(){
JsRuntime jsRuntime = new V8Engine();
EventLoop eventLoop = new EventLoop(jsRuntime);
eventLoop.start();
}
// 主線程中執行
main();
以上代碼是 nodejs 的粗略的執行過程，還想進一步了解，可以看這從入口函數看起：node_main.cc
按標號進行說明：
- 全局的回調事件先進先出隊列，包括了 I/O 事件和 Timer 事件的回調對象。
- 全局的
nextTick的回調對象先進先出隊列。 - 全局的
setImmediate的回調對象先進先出隊列。 - 開始時會執行
nextTick的隊列。 - 程序退出時會執行
nextTick的隊列。 - 可以看出
nextTick隊列會在run_timer和run_pool之后執行。回到第三節說的nextTick的執行時機，看出來該隊列確實會在 I/O 和 Timer 之前運行。在文檔中特別說明如果你遞歸調用nextTick會阻 I/O 事件的調用就像調用了loop。依照上面的偽代碼，發現如果你遞歸調用nextTick,那nextTick回調對象先進先出隊列就不會為空，js 引擎就一直在執行，影響之后的代碼執行。 -
setImmediate回調對象先進先出隊列，每一次 tick 就執行一次。
可以從代碼中看出這四個時間函數執行時機的區別，而setTimeout(fn,0)是在 _callbackHandlers的隊列中，而setImmediate，還有 nextTick 都在不同的隊列中執行。
總體來說，nextTick執行最快，而setTmmediate能保證每次tick都執行，而setTimeout是 libuv 的 Timber 保證，可能會有所延遲。
相關鏈接
- 有人覺得得
process.nextTick名不副實，得改個名字，變成process.currentTick，沒有通過，理由是太多的代碼依賴這個函數了，沒有辦法改名字，這里。 - 如果你覺得 EventLoop 我說的不清楚，你還可以看看這篇博客：鏈接。
- 如果你覺得 setImmediate 和 nextTick 說的不清楚，可以看這：鏈接。
- 這個也可以：鏈接。
- Synchronously asynchronous。
- designing-apis-for-asynchrony。
6 nodejs 回調和大數據與大計算量的解決方案
回調解決方案- promise
我相信你一但用了promise，你就回不去以往的回調時代，promise 非常好使用，強列推薦使用。如果你還想了解promise怎么實現的，我給你透個底，必不可少setTimeout這個函數，可以參考 Q promise的設計文檔，還有一步步來手寫一個Promise也不錯。
大數據與大計算量的解決方案 - 分片數據或者分片計算
如果要寫一個處理數據量很大的任務，我想這個函數可以給你思路：
yielding processes
function chunk(array,process,context){
setTimeout(function(){
var item = array.shift();
process.call(context,item);
if (array.length >0){
setTimeout(arguments.callee,100);
}
}，100)
}
函數節流
如果要寫一個計算量很大的任務，這個函數也可以給你思路：
var process = {
timeout = null,
// 實際進行處理的方法
performProcessing:function(){
// 實際執行的代碼
},
// 初始處理調用的方法
process:function(){
clearTimeout(this.timeoutId);
var that = this;
this.timeoutId = setTimeout(function(){
that.performProcessing();
},100)
}
}
這兩個函數是從JavaScript高級程序設計第612-615頁摘出來的，本質是不要阻塞了Javascript的事件循環，把任務分片了。
做服務器請求多了，使用 cluster 模塊
cluster 的方案就是多進程方案。cluster 能包證每個請求被一個 nodejs 實例處理。這樣就能減少每個 nodejs 的處理的數據量。
7 總結
從現在來看 nodejs 架構中對 js 引擎不支持線程調用是一個較大的遺憾，意味著在 nodejs 中你甚至不能做一個很大的計算量的事。不過又說回來，這也是一件好事。因為這樣做的，使 javascript 變簡單，寫 js 不需要考慮鎖的事情，想想在 java 中集合類加鎖，你還要考慮同步，你還要考慮死鎖，我覺得寫 js 的人都很幸福。
其他語言
同樣的問題也出現在 python、ruby 和 php 上。這些語言在當前的主流版本（用c實現的版本）中都默認一把大鎖 GIL，所有的代碼都是主線程中運行，代碼都是線程安全的，基本上第三方庫也利用這個現實。導致的事實是它們都沒有辦法很好的利用現在的多核計算機，多么悲劇的事情啊！
不過好在，計算這事情，它們干不了，還有人來干，就是老大哥 c、c++還有 java 了。你沒有看到分布式計算領域和大數據中核心計算被老大哥占領，其他是想占也占不了，不是不想占，是有心無力。
就目前的分析，我覺得這篇文章說的很對。
未來發展
當前 nodejs 的發展還是在填別的語言中經歷過的坑，因為 nodejs 發展畢竟才七年的時間(2009年建立)，流行也才是近幾年的事情。不過 nodejs 的進步很快（后發優勢），做一個輕量級的網頁應用已經是繼 python、ruby、php之后的另一個選擇了，可喜可賀。
但是如果還要更近一步發展，那就必須解決計算這個問題。當前 javascript 對于這個問題的解決基本還是按著沿用 python、ruby 和 php 走過的路線走下去，采用單線程協程的方案，也就是 yield、async/wait 方案。在這之后，也基本上會采用多線程方案 worker 。從這樣的發展來看，未來的 nodejs 與 python、ruby、php 是并駕齊驅的解決方案，不見得比 python、ruby 和 php 更好，它們都差不多，唯一不同的是我們又多了一種選擇而已。
想到程序員在論壇上問：新手學習網站開發，javacript、python、ruby和 php 哪個好？我想說如果有師博他說什么好就學什么，如果沒有師博那就學 javascript 吧，因為你不用再去學一門后端的語言了。
