同步、异步、阻塞、非阻塞

同步、异步、阻塞、非阻塞 #

在讨论 Node.js 等异步编程框架时，我们经常听到一些术语，如同步、异步、阻塞、非阻塞等。这些术语虽然有一定的关联性，但却有着不同的含义和用法，容易让人混淆。在本文中，我们将对这些概念进行解释和说明，以帮助读者更好地理解 Node.js 异步编程模型。

同步 #

同步是指代码按顺序执行，一行执行完后才能执行下一行，直到所有代码执行完毕。同步代码具有顺序性和可预测性，但执行时间较长，可能会导致线程阻塞。 下面是一个同步代码的例子，它会依次执行三个函数，并返回它们的结果。

function add(a, b) {
  return a + b;
}

function multiply(a, b) {
  return a * b;
}

function divide(a, b) {
  return a / b;
}

const a = add(1, 2);
const b = multiply(a, 3);
const c = divide(b, 4);

console.log(c); // 输出 2.25

在上面的代码中，add、multiply 和 divide 函数都是同步函数，它们会在执行完毕后返回结果，并传递给下一个函数。整个代码的执行过程是线性的，可以按照代码的编写顺序进行理解。

异步 #

异步是指代码不按顺序执行，而是在需要的时候才执行，执行过程中可能会中断或者不断地检查某个条件，以便及时响应其他请求或事件。异步代码具有高效性和灵活性，但对执行过程的顺序和结果不可预测。 下面是一个异步代码的例子，它会读取一个文件并将其内容输出到控制台。

const fs = require('fs');

fs.readFile('example.txt', 'utf8', (err, data) => {
  if (err) throw err;
  console.log(data);
});

console.log('读取文件中...');

在上面的代码中，fs.readFile 是一个异步函数，它会读取文件并在读取完成后调用回调函数。而 console.log(‘读取文件中…’) 语句则会在读取文件之前执行。因此，在控制台输出的结果中，读取文件中… 和文件的内容不是按照代码的编写顺序输出的。

阻塞/非阻塞 #

阻塞是指线程在执行某个操作时，会一直等待其结果返回，期间无法执行其他任务，直到操作完成才能继续执行。 一些常见的阻塞 I/O 操作包括：

• 从磁盘读取数据（文件 I/O）
• 网络通信（网络 I/O）
• 数据库操作（数据库 I/O）

接下来我们将通过代码来演示同步阻塞、异步阻塞、同步非阻塞、异步非阻塞这四种类型的 I/O 操作。 首先是同步阻塞 I/O 操作，这是 Node.js 最初使用的 I/O 操作方式，当执行阻塞 I/O 操作时，Node.js 进程会停止执行任何其他操作，直到该操作完成并且结果可用。下面是一个使用同步阻塞 I/O 操作读取文件的例子：

同步阻塞 #

const fs = require('fs');

const data = fs.readFileSync('data.txt', 'utf-8');
console.log(data);

在这个例子中，fs.readFileSync() 会阻塞 Node.js 线程，直到文件读取完成并且数据被读取到 data 变量中，然后才会继续执行下面的代码。

异步阻塞 #

接下来是异步阻塞 I/O 操作，这是一种改进的 I/O 操作方式，它可以在等待 I/O 操作完成时，让 Node.js 进程继续执行其他操作。下面是一个使用异步阻塞 I/O 操作读取文件的例子：

const fs = require('fs');

fs.readFile('data.txt', 'utf-8', (err, data) => {
  if (err) {
    throw err;
  }
  console.log(data);
});

在这个例子中，fs.readFile() 会立即返回，Node.js 进程可以继续执行下面的代码，而不必等待文件读取完成。一旦文件读取完成，回调函数会被调用，打印文件内容。

同步非阻塞 #

然后是同步非阻塞 I/O 操作，这种操作方式不会阻塞 Node.js 线程，但仍然是同步操作。下面是一个使用同步非阻塞 I/O 操作读取文件的例子：

const fs = require('fs');

const fd = fs.openSync('data.txt', 'r');
const buffer = Buffer.alloc(1024);
fs.readSync(fd, buffer, 0, buffer.length, 0);
console.log(buffer.toString('utf-8'));
fs.closeSync(fd);

在这个例子中，fs.openSync() 和 fs.readSync() 都是同步操作，但它们不会阻塞 Node.js 线程。fs.openSync() 打开文件并返回文件描述符，fs.readSync() 读取文件内容并将其存储在缓冲区中。最后，使用 fs.closeSync() 关闭文件描述符。 阻塞式I/O和非阻塞式I/O的区别在于，在阻塞式I/O下，线程在读取或写入数据时会被阻塞，直到数据读取或写入完成；而在非阻塞式I/O下，线程会立即返回一个错误码，指示操作将会被阻塞，但线程并不会被阻塞，它可以继续做其他的工作，之后会通过轮询等方式来判断是否完成了I/O操作。 同步和异步的区别在于，同步调用会一直等待操作完成，直到操作完成后才返回结果，而异步调用不会等待操作完成，而是立即返回，当操作完成后，会通过回调或者其他机制来通知调用者。 下面是一些代码示例，以说明这些概念的具体应用： 同步阻塞读取文件：

const fs = require('fs');
const data = fs.readFileSync('test.txt', 'utf8');
console.log(data);

上述代码会阻塞线程，直到文件读取完成。 异步非阻塞读取文件：

const fs = require('fs');
fs.readFile('test.txt', 'utf8', (err, data) => {
  if (err) throw err;
  console.log(data);
});

上述代码是异步非阻塞读取文件的例子，它通过回调函数的方式来获取读取文件的结果，线程不会被阻塞。 同步阻塞的HTTP服务器：

const http = require('http');

const server = http.createServer((req, res) => {
  fs.readFile('test.html', 'utf8', (err, data) => {
    if (err) throw err;
    res.end(data);
  });
});

server.listen(3000, () => {
  console.log('Server listening on port 3000');
});

上述代码是一个同步阻塞的HTTP服务器，每次请求都会阻塞线程，直到读取文件完成并返回结果。

异步非阻塞 #

异步非阻塞的HTTP服务器：

const http = require('http');

const server = http.createServer((req, res) => {
  fs.readFile('test.html', 'utf8', (err, data) => {
    if (err) throw err;
    res.end(data);
  });
});

server.listen(3000, () => {
  console.log('Server listening on port 3000');
});

上述代码是一个异步非阻塞的HTTP服务器，每次请求不会阻塞线程，而是通过回调函数来获取文件读取结果，并返回给客户端。

总结 #

FAQ #

1. 异步与非阻塞

异步与非阻塞是两个概念。 非阻塞是由操作系统来支持的，在非阻塞模式下，应用程序向操作系统发起一个请求，如果数据还没有准备好，操作系统不会让应用程序一直等待，而是立即返回一个错误码，应用程序继续执行其他任务。操作系统在后台继续处理请求，并在数据准备好后通知应用程序。这种方式下，应用程序并不会被阻塞，而是在等待数据的同时可以继续执行其他任务，提高了程序的并发性能。

✨底层实现非阻塞I/O的方式之一是通过轮询（Polling）的方式。具体来说，它是通过调用操作系统提供的非阻塞I/O函数（如fcntl）将文件描述符设置为非阻塞模式，然后使用轮询（例如select、poll、epoll等系统调用）来查询I/O操作的状态，以判断是否有数据可读或可写，从而进行相应的操作。 当文件描述符被设置为非阻塞模式时，I/O操作将不会阻塞当前线程，而是立即返回I/O操作的状态，无论操作是否完成。这样，当前线程可以继续执行其他操作，而不必等待I/O操作完成。而通过轮询I/O操作状态，系统可以及时通知应用程序I/O操作已经就绪，使得应用程序可以在最短时间内处理已经准备好的数据。 虽然轮询的方式可以实现非阻塞I/O，但是由于需要不断地轮询I/O操作的状态，会占用大量的CPU资源，降低系统的性能。因此，操作系统提供了更为高效的I/O多路复用技术，如epoll、kqueue等，以提高I/O操作的效率。

异步操作的实现方式，不完全依赖于操作系统，而是依赖于编程语言本身的异步编程模型和相关库的支持。 在 Node.js 中，异步操作是通过使用事件循环和回调函数来实现的。当 Node.js 执行异步操作时，它将请求传递给底层操作系统（交给其他线程），并在等待结果时继续执行后续代码。当操作系统完成请求并返回结果时，Node.js 会触发一个事件，通过事件循环将结果传递给相应的回调函数。

2. 为什么异步发起网络响应时间过长，主线程也会被阻塞？

在 Node.js 中，异步 I/O 操作通常是由 libuv 库进行调度和处理的。当我们发起一个异步操作时，例如向网络发起请求，Node.js 会将请求委托给 libuv，然后立即返回并继续执行下一条语句。当 libuv 完成请求并返回结果时，Node.js 将其放入一个任务队列中等待执行。 由于 JavaScript 的单线程特性，当主线程执行到需要等待异步操作结果的语句时，会停下来等待任务队列中的结果，直到结果返回才会继续执行下一条语句。这就意味着，如果异步操作的响应时间过长，主线程就会一直等待，造成阻塞。