技术实践第十一期｜关于Node.js的那些事（上）
官方小二
*更新于2022-3-25*
亲爱的开发者们，
🙋大家好，欢迎大家阅读本期技术内容：关于Node.js的那些事（上集）。我们将带领大家一起了解Node.js的历史、特点、应用场景、模块机制等等一系列内容。
🎩开发者们有任何想要探讨的技术内容，欢迎在本帖下方畅所欲言哦～
*作者：llkevin13579*
一. Node.js的历史、特点与应用场景
用了4年多的node.js，再去阅读《深入浅出Node.js》这本书，发现别有一番滋味。接下来我将用几小篇文章重新带大家领略Node.js的风采。
故事要追溯到2009年3月，28岁的美国程序猿Ryan Dahl宣布要基于V8创建一个轻量级的Web服务器并提供一套utils，之后他仅仅花了两个月时间，也就是当年5月份就发布了第一个版本。
2010年年底，就拿到了硅谷云服务商Joyent的赞助，他也加入了Joyent并全职负责Node的发展。可以看得出，他是一个能力很强并且很有天赋的程序猿，通过查看Wiki发现，他6岁的时候他妈妈就给了一台苹果电脑（Apple IIc, 如下图）给他，拿到电脑他不是第一时间拿来打游戏，而是拿来研究技术。因为他对技术的热爱，后面他进入了罗切斯特大学（University of Rochester）学习数学专业。
这东西为啥叫Node呢？为啥不叫什么D语言、E语言呢？起初，这个项目是叫web.js，也就是一个Web服务器，但项目的发展很给力，渐渐变成了基础框架，大家可以在它的基础上构建更多的东西，例如服务器、客户端、命令行等工具。它自身非常简单，而且易扩展，大家可以通过统一的规范来构建大型网络应用。每一个Node进程都构成这个网络应用中的一个节点，这就是为什么它叫Node.js。
那Node.js有哪些特点呢？总结下来有4点，异步I/O、事件与回调函数、单线程、跨平台。
一、异步I/O
我们知道对于Java语言，程序语句是一行行执行的，但是对于node.js来说，底层有很多异步I/O的API，包含文件读取(https://nodejs.org/dist/latest-v12.x/docs/api/fs.html)、网络请求(https://nodejs.org/dist/latest-v12.x/docs/api/http.html)等等，每个调用之间无需等之前I/O调用结束，这样的意义在于，我们可以从语言层面很自然地进行并行I/O操作
二、事件与回调函数
对于Node.js来说，我们处理请求，只需要关注成功和失败的时候的业务逻辑即可，在多个异步任务的场景下，事件与事件之间各自独立，具有轻量级、松耦合的特点。但这样的设计对于如何协助是一个问题，它和常规的同步方法相比，变得不是那么一目了然。后期我们可以通过一些方法可以解决这个问题，比如promise、async/await。
三、单线程
Node.js保持了Javascript在浏览器中单线程的特点，它最大的好处是不用像多线程编程那样处处在意状态的同步问题，没有死锁的存在，也没有线程上下文交换带来的性能上的开销。但它也存在一些缺点，比如无法利用多核的CPU，错误会引起整个应用退出、对于CPU密集型的事件需要等待计算任务完成才能重新到事件循环取事件。
四、跨平台
起初，Node.js只能在Linux平台上运行，后面随着Node.js的发展，微软帮助了它实现了Windows平台的兼容，在v0.6.0的时候已经可以在Windows上运行了。这得益于中间的这层libuv，它是一个可以在许多平台上实现跨平台的基础组件，Node的第三方C++模块也可以通过libuv实现跨平台。
由于Node.js具有以上四个特点，那么它的应用场景有哪些呢？第一个当然是需要高性能I/O的实时应用，比如聊天工具，花瓣网、蘑菇街的实时通知功能就是通过socket.io来实现的；第二个是利用并行I/O高效利用分布式环境，比如eBay的ql.io就是借用Node并行I/O的能力，高效地利用已有的数据。第三个是利用稳定接口提升Web渲染能力，例如LinkedIn的移动版网站就摒弃了同步的方式，利用并行I/O加速数据的获取，提升Web渲染速度。
二. Node.js的模块机制
背景
对于很多语言来说都有模块机制，比如Java有类，Python有import，Ruby有require，PHP有include和require。而js是通过<script>的方式导入，显得很凌乱，没办法做很好的抽象，也不方便进行逻辑的编写。社区的人也意识到了这一点，给js提出了CommonJS的规范，CommonJS的提出给js增加了很多模块化的成分，为js的发展提供了更好的保障。
我们说CommonJS解决了js的很多痛点，那这些痛点分别是什么呢？刚刚说的模块化是一点，还有就是没有自己的标准库，也没有包管理系统，当CommonJS解决了这些问题之后我们就可以用js来开发后台的服务了，这个时候Node就出现在人们面前了。
CommonJS的模块规范主要分为两部分:
（1）模块引用
比如引入一个math模块进来
var math = require("math");
（2）模块定义
比如在math.js中定义一个加法函数
// math.js
exports.add = function(num1, num2) {
return num1 + num2;
} 在另外一个文件中导入这个模块，就可以调用里面的属性或者方法了。
// Other file
var math = require('math');
math.add(1, 2);
对于Node.js来说引入模块有三步：（1）路径分析（2）文件定位（3）编译执行
为了区别Node的核心模块（如fs、http）、自定义模块(如request)、文件模块（如./math.js)，我们引入的方法不同，对于核心模块和自定义模块我们直接在require当中写模块的名字，对于文件模块，我们在require当中写自定义模块的相对路径或者绝对路径。对于核心模块，在Node的源代码当中已经编译成二进制的代码了，所以它的加载会非常快，其次是文件模块、自定义模块。在node.js当中支持文件不包含后缀名（如js、json)，Node.js会按照.js、.json、.node的顺序去尝试加载。编译和执行是最后一步，对于这三种类型的文件，Node.js会采用三种不同的方法去处理。对于.js文件，是采用核心模块fs去读取然后编译执行，对于.node文件，通过dlopen()方法加载后编译执行，对于.json文件，先是通过fs核心模块去读取，然后通过JSON.parse()解析返回结果。
有了这些前置的知识，我们就可以开始了解包和NPM了。
在Node.js当中，包要从package.json文件说起，这个文件是用来定义有关包的相关信息的，包含包的名字、描述、版本号、关键字、贡献者、依赖包、脚本说明等，有了这些定义，我们就可以完成第三方模块的发布、安装等操作。
（1）第三方模块的发布
a. 定义package.json文件
b. 完成包里面的代码，并在编写的过程中不断更新package.json当中的依赖包
c. 注册npm仓库账号
d. 上传包
（2）第三方包的安装与使用
发布的第三方包会在npmjs.com当中显示，当我们需要安装第三方包的时候，我们使用npm install（或者npm i)命令来进行安装，然后使用的时候根据上面说的引用自定义模块的方法进行使用。
总结来说，CommonJS的发展令到这门语言有了一个质的飞跃，摆脱了js过去凌乱的局面，进而形成了良好的生态系统，发展到此刻，npmjs.com上面的包已经有1,325,093次贡献了，可以说是一个很大、很好的社区了。
三. Node.js之异步I/O
试想一下，如果一个网页打开之后加载数据5秒才加载完，然后渲染出来，这个用户估计以为这个网站挂掉了吧？然后大部分用户会选择离开。如何解决这个问题？我们可以采用一部分一部分加载的形式去加载，同时去请求，响应的请求就可以先实现响应的部分，这样的用户体验就更好一些。Node.js正好有相关的机制，可以去做到这个效果，叫做异步I/O。
假设业务场景中有一组互不相关的任务需要完成，现在主流的两种方法是：（1）单线程串行依次执行（2）多线程并行完成。如果创建多线程的开销小于并行执行的开销，那么毫无疑问是选择创建多线程，但是多线程会存在锁的问题。至于单线程串行执行，这个对于程序员来说，当然是最友好的，但是通常在很多业务逻辑里面，需要进行多次略慢的任务，一个任务的执行受到上一个任务的影响，所以整体来说也不是特别高校。
Node.js在这两种方法当中做了一个平衡，利用单线程，远离多线程死锁、状态同步等问题，利用异步I/O，让单线程避免来阻塞的问题，更好的利用CPU资源。
在进程启动时，Node会创建一个类似while(true)的循环，每次循环为一个Tick，每次Tick都会看是否有还没完成的事件处理，如果有就进行处理，如果没有就跳出进程，流程图如下：
在每个Tick 的过程中，如何判断是否有事件需要处理呢？Node.js引入了观察者的角色，比如文件I/O观察者、网络I/O观察者等等，这些事件被传递到对应的观察者那里，事件循环从观察者那里取出事件并处理。
可以看出，事件循环是异步实现的核心，它与浏览器中的执行模型基本保持了一致，Node正是依靠构建了一套完善的高性能异步I/O框架，打破了Javascript在服务器端止步不前的局面。
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