Node.js異步編程模式探討

周安輝

（內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 內(nèi)江 641100）

0 引言

Node.js是一個編寫網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和網(wǎng)頁應(yīng)用的平臺，采用C++語言編寫，優(yōu)化了Google V8引擎，能夠高效地運(yùn)行JavaScript代碼，同時提供了文件、網(wǎng)絡(luò)等眾多系統(tǒng)級的API，有助于開發(fā)人員快速地構(gòu)建高性能的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)及其應(yīng)用。

Node.js圍繞一個事件驅(qū)動的無阻塞I/O的異步編程模式而構(gòu)建，代碼執(zhí)行無須阻塞等待某種低速的I/O操作完成而繼續(xù)，充分利用了有限的資源，非常適合編寫處理大量并發(fā)請求的后臺網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。此外，服務(wù)器端與客戶端的編寫，統(tǒng)一使用JavaScript語言，受到開發(fā)人員的極大歡迎。

1 Node.js編程中的函數(shù)概念[2]

基于函數(shù)的傳統(tǒng)編程，開發(fā)人員是相當(dāng)熟悉的，大部分編程語言都使用，Node.js也不例外，但是要注意一些概念上的區(qū)別。在Node.js的編程中，要正確理解以下幾個基本的函數(shù)概念，可以幫助我們掌握Node.js的編程模式。

1.1 立即執(zhí)行函數(shù)

在Node.js中可以在定義一個函數(shù)后立即執(zhí)行它。只需要簡單地用()括號包裹函數(shù)，并調(diào)用它，如下所示：.

(function myData(){

console.log('myData was executed!');

})();

在 JavaScript中，if、else或 while語句體并不會創(chuàng)建一個新的變量作用域。如下所示：

var myData=123;

if(true){

var myData=456;

}

console.log(myData);//456;

在JavaScript中，只有使用一個立即執(zhí)行函數(shù)會創(chuàng)建一個新的變量作用域。如下所示：

var myData=123;

if(true){

(function(){//create a new scope

var myData=456;

console.log(myData);//456;

})();

}

console.log(myData);//123;

1.2 匿名函數(shù)

一個沒有名字的函數(shù)被稱為匿名函數(shù)。在JavaScript中，你可以指派一個函數(shù)給一個變量。如果你打算把一個函數(shù)賦值給一個變量，你不需要使用命名函數(shù)。

以下兩種方式定義一個內(nèi)聯(lián)函數(shù)，兩者是等價的：

var foo1=function namedFunction(){

console.log('foo1');

}/*www.java2s.com*/

foo1();//foo1

var foo2=function(){//no function name i.e.anonymous function

console.log('foo2');

}

foo2();//foo2

1.3 首類函數(shù)

JavaScript語言擁有首類函數(shù)。首類函數(shù)意味著函數(shù)被當(dāng)作對象一樣的東西來看待，可以把它指派給一個變量。

高階函數(shù)

因?yàn)镴avaScript語言允許指派函給變量，所以能夠傳送函數(shù)給其他函數(shù)。高階函數(shù)意味著使用其他函數(shù)作參數(shù)或者返回一個函數(shù)作結(jié)果。setTimeout是一個很常見的高階函數(shù)例子，用法如下：.

setTimeout(function(){

console.log('2000 milliseconds have passed since this demo started');

},2000);

在Node.js運(yùn)行這個代碼，你會在兩秒后才看見控制臺日志消息。

在setTimeout中使用了一個匿名函數(shù)作為第一個參數(shù)，這讓setTimeout成為一個高階函數(shù)。

也可定義一個函數(shù)，顯式傳遞給setTimeout，如下所示：

function foo(){

console.log('2000 milliseconds have passed since this demo started');

}

setTimeout(foo,2000);

1.4 閉包函數(shù)

這個概念是非常直觀和簡單。如果一個函數(shù)定義在另外一個函數(shù)的內(nèi)部，內(nèi)部函數(shù)要訪問外部函數(shù)聲明的變量。如下所示：

function outerFunction(arg){

var variableInOuterFunction=arg;

function myValue(){

console.log(variableInOuterFunction);

}

myValue();

}

outerFunction ('hello closure!');//logs hello closure!

即使外部函數(shù)已經(jīng)返回，內(nèi)部函數(shù)還是能夠訪問外部作用域的變量。因?yàn)樵撟兞咳匀槐粌?nèi)部函數(shù)綁定，并不依賴于外部函數(shù)。如下所示：

function outerFunction(arg){

var variableInOuterFunction=arg;return function(){

console.lo(variableInOuterFunction);

}

}

var innerFunction = outerFunction('hello closure!');

innerFunction();

2 Node.js的標(biāo)準(zhǔn)回調(diào)編程模式

Node.js異步編程采用后續(xù)傳遞風(fēng)格（continuation-passing style,CPS）,編寫的CPS函數(shù)有一個顯式的“后續(xù)”函數(shù)作為額外參數(shù)，在調(diào)用CPS函數(shù)計算出返回值時，并不表示函數(shù)結(jié)束，而將CPS函數(shù)的返回值作為“后續(xù)”函數(shù)的參數(shù)，繼續(xù)調(diào)用“后續(xù)”函數(shù)，顯示地將流程控制權(quán)傳遞給“后續(xù)”函數(shù)。

2.1 回調(diào)函數(shù)

在后續(xù)傳遞風(fēng)格的編程中，每個函數(shù)在執(zhí)行完畢后都會調(diào)用一個回調(diào)函數(shù)，將程序繼續(xù)進(jìn)行下去。如你所見，在JavaScript就是采用這種方式編程，例如Node.js中，將input.txt文件加載到內(nèi)存并顯示出的例子：

var fs=require('fs');

fs.readFile ('./input.txt',function(err,data){

if(err){

console.log(err.stack);

return; }

console.log(' 文件內(nèi)容： ',data.toString());

});

console.log('Reading file...');

執(zhí)行這段代碼，首先會顯示'Reading file...'字符串，然后等待回調(diào)函數(shù)的結(jié)果返回后，才會顯示文件內(nèi)容，這是一種典型的異步執(zhí)行模式。

注意：內(nèi)聯(lián)匿名回調(diào)函數(shù)的第一個參數(shù)是一個錯誤對象，如果有錯誤發(fā)生，其為Error類的一個實(shí)例，這是Node.js中應(yīng)用CPS編程的一個通用模式。

2.2 鏈?zhǔn)交卣{(diào)函數(shù)

使用異步方法并不能保證執(zhí)行次序，下面的例子是我們經(jīng)常犯的錯誤：

var fs=require('fs');

fs.rename('/tmp/hello','/tmp/world',(err)=＞{

if(err)throw err;

console.log('renamed complete');

});

fs.stat('/tmp/world',(err,stats)=＞{

if(err)throw err;

console.log(`stats：${JSON.stringify(stats)}`);

});

fs.stat?可能在fs.rename之前被執(zhí)行。要保證流程控制權(quán)的正確執(zhí)行次序，正確的做法是采用鏈?zhǔn)交卣{(diào)函數(shù)，如下所示：

var fs=require('fs');

fs.rename('/tmp/hello','/tmp/world',(err)=＞{

if(err)throw err;

fs.stat('/tmp/world',(err,stats)=＞{

if(err)throw err;

console.log(`stats：${JSON.stringify(stats)}`);

});

});

3 事件驅(qū)動編程模式

Node.js大量使用事件來決定程序的流程控制權(quán)，使它與其他采用“事件驅(qū)動編程”相似技術(shù)相比較，Node.js就顯得更快更高效。Node.js一旦啟動了它的服務(wù)器，它僅是簡單地初始變量，聲明函數(shù)，然后就只需等待事件發(fā)生。

標(biāo)準(zhǔn)回調(diào)模式是單事件工作模式，在異步函數(shù)返回其結(jié)果時觸發(fā)調(diào)用回調(diào)函數(shù)。如果是在函數(shù)的執(zhí)行中發(fā)生了多個事件或事件重復(fù)發(fā)生，這種模式就不是很理想了，而事件驅(qū)動模式則在這種情形下很好工作。一般而言，在需要請求的操作完成后要重獲流程控制權(quán)，采用標(biāo)準(zhǔn)回調(diào)模式，而當(dāng)多個事件發(fā)生或事件重復(fù)發(fā)生時，要決定流程控制權(quán)，采用事件驅(qū)動模式。本質(zhì)上，可以把Node.js標(biāo)準(zhǔn)回調(diào)模式視為特定的單事件驅(qū)動編程模式。

在事件驅(qū)動模式編程中，偵聽事件的函數(shù)充當(dāng)觀察器，只有事件發(fā)生器發(fā)射一個事件被觀察到時,它的偵聽器的回調(diào)函數(shù)才開始執(zhí)行。

3.1 事件發(fā)生器內(nèi)置事件類型的偵聽

下面的代碼，create_websever.js用于創(chuàng)建一個web服務(wù)器，ex2_event.js演示請求web頁面時，并對response發(fā)射的data與end內(nèi)置事件類型進(jìn)行響應(yīng)：

create_websever.js文件如下所示：

const http=require('http');

const hostname='127.0.0.1';

const port=3000;

const server=http.createServer((req,res)=＞{res.statusCode=200;

res.setHeader('Content-Type','text/plain');

res.end('Hello World ');

});

server.listen(port,hostname,()=＞{

console.log(`Server running at http：//${hostname}：${port}/`);

});

ex2_event.js文件：

var http=require('http');

var options={

host：'127.0.0.1',

port：3000,

path：'/'

};

var req=http.request(options,function(res){res.setEncoding('utf8');

res.on('data',function(data){console.log('some data from the response',data);

});

res.on('end',function(){console.log('response ended');

});

})

req.end();

3.2 自定義事件類型的偵聽[1]

Node.js?使用events模塊和?EventEmitter?類實(shí)現(xiàn)自定義事件類型編程。通過?EventEmitter?類來綁定事件與事件偵聽器，可以實(shí)現(xiàn)多個自定義事件類型的發(fā)射和偵聽。如下代碼所示：

//Import events module

var events=require('events');

//Create an eventEmitter object

var eventEmitter=newevents.EventEmitter();

//Create an event handler as follows

var connectHandler=function connected(){console.log('connection succesful.');

//Fire the data_received event

eventEmitter.emit('data_received');}

//Bind the connection event with the handler

eventEmitter.on('connection',connectHandler);

//Bind the data_received event with the anonymous function

eventEmitter.on ('data_received',function(){

console.log('data received succesfully.');});

//Fire the connection event

eventEmitter.emit('connection');

console.log(“Program Ended.”);

3.3 對“error”事件的處理

在Node中，事件發(fā)生器采用通用接口服務(wù)各種類型的事件，但是“error”事件除外，大部分Node事件發(fā)生器在程序產(chǎn)生錯誤時都要產(chǎn)生“error”事件。如果不監(jiān)聽該事件，“error”事件發(fā)生時，Node事件發(fā)生器會拋出一個未捕獲的異常，顯示一個堆棧追蹤，而且Node進(jìn)程會退出。

最佳實(shí)踐是始終偵聽“error”事件，如下所示：

var myEmitter=new(require('events').EventEmitter)();

myEmitter.on('error',(err)=＞{

console.log('whoops!there was an error');

});

myEmitter.emit ('error', new Error('whoops!'));

4 理解Node.js事件輪詢[5]event loop

Node.js的event loop，后臺采用Libuv[4]高性能的事件輪詢模型，負(fù)責(zé)調(diào)度回調(diào)函數(shù)隊列的執(zhí)行，是實(shí)現(xiàn)非阻塞I/O異步編程的關(guān)鍵機(jī)制。當(dāng)Node.js啟動時，將初始化event loop，處理那些可能做異步API調(diào)用、定制計時器或調(diào)用process.nextTick()的輸入腳本，然后開始處理event loop。

event loop包括六個循環(huán)階段，如下圖1所示：

圖1 六個循環(huán)階

每個階段都有一個可執(zhí)行的回調(diào)函數(shù)的FIFO隊列。盡管每個階段具有自己特殊方式，通常，當(dāng)事件循環(huán)進(jìn)入一個給定的階段，它將執(zhí)行這個階段的任何特定操作，然后執(zhí)行在這個階段的隊列中的回調(diào)函數(shù)，直到隊列為空或者回調(diào)函數(shù)數(shù)量達(dá)到上限，event loop會進(jìn)入到下一下階段，等等，細(xì)節(jié)可參考官方文檔[3]。

5 小結(jié)

Node.js后續(xù)傳遞風(fēng)格的編程，看上去很丑陋，并且與傳統(tǒng)的編程思維模式相違背，讓人入手時難以適應(yīng)，只有當(dāng)你深入理解事件輪詢event loop的基本原理后，對于Node.js后續(xù)傳遞風(fēng)格的異步編程會有較大幫助，并且會逐步喜歡上它的簡明與高效。