Node.js异步编程模式探讨

周安辉

（内江职业技术学院，四川 内江 641100）

0 引言

Node.js是一个编写网络服务和网页应用的平台，采用C++语言编写，优化了Google V8引擎，能够高效地运行JavaScript代码，同时提供了文件、网络等众多系统级的API，有助于开发人员快速地构建高性能的网络服务及其应用。

Node.js围绕一个事件驱动的无阻塞I/O的异步编程模式而构建，代码执行无须阻塞等待某种低速的I/O操作完成而继续，充分利用了有限的资源，非常适合编写处理大量并发请求的后台网络服务。此外，服务器端与客户端的编写，统一使用JavaScript语言，受到开发人员的极大欢迎。

1 Node.js编程中的函数概念[2]

基于函数的传统编程，开发人员是相当熟悉的，大部分编程语言都使用，Node.js也不例外，但是要注意一些概念上的区别。在Node.js的编程中，要正确理解以下几个基本的函数概念，可以帮助我们掌握Node.js的编程模式。

1.1 立即执行函数

在Node.js中可以在定义一个函数后立即执行它。只需要简单地用()括号包裹函数，并调用它，如下所示：.

(function myData(){

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

})();

在 JavaScript中，if、else或 while语句体并不会创建一个新的变量作用域。如下所示：

var myData=123;

if(true){

var myData=456;

}

console.log(myData);//456;

在JavaScript中，只有使用一个立即执行函数会创建一个新的变量作用域。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 匿名函数

一个没有名字的函数被称为匿名函数。在JavaScript中，你可以指派一个函数给一个变量。如果你打算把一个函数赋值给一个变量，你不需要使用命名函数。

以下两种方式定义一个内联函数，两者是等价的：

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 首类函数

JavaScript语言拥有首类函数。首类函数意味着函数被当作对象一样的东西来看待，可以把它指派给一个变量。

高阶函数

因为JavaScript语言允许指派函给变量，所以能够传送函数给其他函数。高阶函数意味着使用其他函数作参数或者返回一个函数作结果。setTimeout是一个很常见的高阶函数例子，用法如下：.

setTimeout(function(){

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

},2000);

在Node.js运行这个代码，你会在两秒后才看见控制台日志消息。

在setTimeout中使用了一个匿名函数作为第一个参数，这让setTimeout成为一个高阶函数。

也可定义一个函数，显式传递给setTimeout，如下所示：

function foo(){

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

}

setTimeout(foo,2000);

1.4 闭包函数

这个概念是非常直观和简单。如果一个函数定义在另外一个函数的内部，内部函数要访问外部函数声明的变量。如下所示：

function outerFunction(arg){

var variableInOuterFunction=arg;

function myValue(){

console.log(variableInOuterFunction);

}

myValue();

}

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

即使外部函数已经返回，内部函数还是能够访问外部作用域的变量。因为该变量仍然被内部函数绑定，并不依赖于外部函数。如下所示：

function outerFunction(arg){

var variableInOuterFunction=arg;return function(){

console.lo(variableInOuterFunction);

}

}

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

innerFunction();

2 Node.js的标准回调编程模式

Node.js异步编程采用后续传递风格（continuation-passing style,CPS）,编写的CPS函数有一个显式的“后续”函数作为额外参数，在调用CPS函数计算出返回值时，并不表示函数结束，而将CPS函数的返回值作为“后续”函数的参数，继续调用“后续”函数，显示地将流程控制权传递给“后续”函数。

2.1 回调函数

在后续传递风格的编程中，每个函数在执行完毕后都会调用一个回调函数，将程序继续进行下去。如你所见，在JavaScript就是采用这种方式编程，例如Node.js中，将input.txt文件加载到内存并显示出的例子：

var fs=require('fs');

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

if(err){

console.log(err.stack);

return; }

console.log(' 文件内容： ',data.toString());

});

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

执行这段代码，首先会显示'Reading file...'字符串，然后等待回调函数的结果返回后，才会显示文件内容，这是一种典型的异步执行模式。

注意：内联匿名回调函数的第一个参数是一个错误对象，如果有错误发生，其为Error类的一个实例，这是Node.js中应用CPS编程的一个通用模式。

2.2 链式回调函数

使用异步方法并不能保证执行次序，下面的例子是我们经常犯的错误：

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之前被执行。要保证流程控制权的正确执行次序，正确的做法是采用链式回调函数，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 事件驱动编程模式

Node.js大量使用事件来决定程序的流程控制权，使它与其他采用“事件驱动编程”相似技术相比较，Node.js就显得更快更高效。Node.js一旦启动了它的服务器，它仅是简单地初始变量，声明函数，然后就只需等待事件发生。

标准回调模式是单事件工作模式，在异步函数返回其结果时触发调用回调函数。如果是在函数的执行中发生了多个事件或事件重复发生，这种模式就不是很理想了，而事件驱动模式则在这种情形下很好工作。一般而言，在需要请求的操作完成后要重获流程控制权，采用标准回调模式，而当多个事件发生或事件重复发生时，要决定流程控制权，采用事件驱动模式。本质上，可以把Node.js标准回调模式视为特定的单事件驱动编程模式。

在事件驱动模式编程中，侦听事件的函数充当观察器，只有事件发生器发射一个事件被观察到时,它的侦听器的回调函数才开始执行。

3.1 事件发生器内置事件类型的侦听

下面的代码，create_websever.js用于创建一个web服务器，ex2_event.js演示请求web页面时，并对response发射的data与end内置事件类型进行响应：

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 自定义事件类型的侦听[1]

Node.js?使用events模块和?EventEmitter?类实现自定义事件类型编程。通过?EventEmitter?类来绑定事件与事件侦听器，可以实现多个自定义事件类型的发射和侦听。如下代码所示：

//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 对“error”事件的处理

在Node中，事件发生器采用通用接口服务各种类型的事件，但是“error”事件除外，大部分Node事件发生器在程序产生错误时都要产生“error”事件。如果不监听该事件，“error”事件发生时，Node事件发生器会抛出一个未捕获的异常，显示一个堆栈追踪，而且Node进程会退出。

最佳实践是始终侦听“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事件轮询[5]event loop

Node.js的event loop，后台采用Libuv[4]高性能的事件轮询模型，负责调度回调函数队列的执行，是实现非阻塞I/O异步编程的关键机制。当Node.js启动时，将初始化event loop，处理那些可能做异步API调用、定制计时器或调用process.nextTick()的输入脚本，然后开始处理event loop。

event loop包括六个循环阶段，如下图1所示：

图1 六个循环阶

每个阶段都有一个可执行的回调函数的FIFO队列。尽管每个阶段具有自己特殊方式，通常，当事件循环进入一个给定的阶段，它将执行这个阶段的任何特定操作，然后执行在这个阶段的队列中的回调函数，直到队列为空或者回调函数数量达到上限，event loop会进入到下一下阶段，等等，细节可参考官方文档[3]。

5 小结

Node.js后续传递风格的编程，看上去很丑陋，并且与传统的编程思维模式相违背，让人入手时难以适应，只有当你深入理解事件轮询event loop的基本原理后，对于Node.js后续传递风格的异步编程会有较大帮助，并且会逐步喜欢上它的简明与高效。