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提到 Node.js，相信大部分前端工程师都会想到基于它来开发服务端，只需要掌握 JavaScript 一门语言就可以成为全栈工程师，但其实 Node.js 的意义并不仅于此。

很多高级语言，执行权限都可以触及操作系统，而运行在浏览器端的 JavaScript 则例外，浏览器为其创建的沙箱环境，把前端工程师封闭在一个编程世界的象牙塔里。不过 Node.js 的出现则弥补了这个缺憾，前端工程师也可以触达计算机世界的底层。

所以 Nodejs 对于前端工程师的意义不仅在于提供了全栈开发能力，更重要的是为前端工程师打开了一扇通向计算机底层世界的大门。本文通过分析 Node.js 的实现原理来打开这扇大门。

Node.js源码结构

Node.js 源码仓库的 /deps 目录下有十几个依赖，其中既有 C 语言编写的模块（如 libuv、V8）也有JavaScript 语言编写的模块（如 acorn、acorn-plugins），如下图所示。

• acorn：用 JavaScript 编写的轻量级 JavaScript 解析器。

• acorn-plugins：acorn 的扩展模块，让 acorn 支持 ES6 特性解析，比如类声明。

• brotli：C 语言编写的 Brotli 压缩算法。

• cares：应该写为 “c-ares”，C 语言编写的用来处理异步 DNS 请求。

• histogram：C 语言编写，实现柱状图生成功能。

• icu-small：C 语言编写，为 Node.js 定制的 ICU（International Components for Unicode）库，包括一些用来操作 Unicode 的函数。

• llhttp：C 语言编写，轻量级的 http 解析器。

• nghttp2/nghttp3/ngtcp2：处理 HTTP/2、HTTP/3、TCP/2 协议。

• node-inspect：让 Node.js 程序支持 CLI debug 调试模式。

• npm：JavaScript 编写的 Node.js 模块管理器。

• openssl：C 语言编写，加密相关的模块，在 tls 和 crypto 模块中都有使用。

• uv：C 语言编写，采用非阻塞型的 I/O 操作，为 Node.js 提供了访问系统资源的能力。

• uvwasi：C 语编写，实现 WASI 系统调用 API。

• v8：C 语言编写，JavaScript 引擎。

• zlib：用于快速压缩，Node.js 使用 zlib 创建同步、异步和数据流压缩、解压接口。

其中最重要的是 v8 和 uv 两个目录对应的模块。v8本身并没有异步运行的能力，而是借助浏览器的其他线程实现的，这也正是我们常说js是单线程的原因，因为其解析引擎只支持同步解析代码。但在 Node.js 中，异步实现主要依赖于 libuv，下面我们来重点分析 libuv 的实现原理。

什么是libuv

libuv 是一个用 C 编写的支持多平台的异步 I/O 库，主要解决 I/O 操作容易引起阻塞的问题。最开始是专门为 Node.js 使用而开发的，但后来也被 Luvit、Julia、pyuv 等其他模块使用。下图是 libuv 的结构图。

libuv有两种异步的实现方式，分别是上图左右两个被黄框选中的部分。

左边部分为网络 I/O 模块，在不同平台下有不同的实现机制，Linux 系统下通过 epoll 实现，OSX 和其他 BSD 系统采用 KQueue，SunOS 系统采用 Event ports，Windows 系统采用的是 IOCP。由于涉及操作系统底层 API，理解起来比较复杂，这里就不多介绍了。

右边部分包括文件 I/O 模块、DNS 模块和用户代码，通过线程池来实现异步操作。文件 I/O 与网络 I/O不同，libuv 没有依赖于系统底层的 API，而是在全局线程池中执行阻塞的文件 I/O 操作。

libuv中的事件轮询

下图是 libuv 官网给出的事件轮询工作流程图，我们结合代码来一起分析。

libuv 事件循环的核心代码是在 uv_run() 函数中实现的，下面是 Unix 系统下的部分核心代码。虽然是用 C 语言编写的，但和 JavaScript 一样都是高级语言，所以理解起来也不算太困难。最大的区别可能是星号和箭头，星号我们可以直接忽略。例如，函数参数中 uv_loop_t* loop 可以理解为 uv_loop_t 类型的变量 loop。箭头 “→” 可以理解为点号“.”，例如，loop→stop_flag 可以理解为 loop.stop_flag。

int uv_run(uv_loop_t* loop, uv_run_mode mode) {
  ... 
r = uv__loop_alive(loop);
if (!r) uv__update_time(loop);
while (r != 0 && loop - >stop_flag == 0) {
    uv__update_time(loop);
    uv__run_timers(loop);
    ran_pending = uv__run_pending(loop);
    uv__run_idle(loop);
    uv__run_prepare(loop);...uv__io_poll(loop, timeout);
    uv__run_check(loop);
    uv__run_closing_handles(loop);...
}...
}

uv__loop_alive

这个函数用于判断事件轮询是否要继续进行，如果 loop 对象中不存在活跃的任务则返回 0 并退出循环。

在 C 语言中这个 “任务” 有个专业的称呼，即“句柄”，可以理解为指向任务的变量。句柄又可以分为两类：request 和 handle，分别代表短生命周期句柄和长生命周期句柄。具体代码如下：

static int uv__loop_alive(const uv_loop_t * loop) {
    return uv__has_active_handles(loop) || uv__has_active_reqs(loop) || loop - >closing_handles != NULL;
}

uv__update_time

为了减少与时间相关的系统调用次数，同构这个函数来缓存当前系统时间，精度很高，可以达到纳秒级别，但单位还是毫秒。

具体源码如下：

UV_UNUSED(static void uv__update_time(uv_loop_t * loop)) {
    loop - >time = uv__hrtime(UV_CLOCK_FAST) / 1000000;
}

uv__run_timers

执行 setTimeout() 和 setInterval() 中到达时间阈值的回调函数。这个执行过程是通过 for 循环遍历实现的，从下面的代码中也可以看到，定时器回调是存储于一个最小堆结构的数据中的，当这个最小堆为空或者还未到达时间阈值时退出循环。

在执行定时器回调函数前先移除该定时器，如果设置了 repeat，需再次加到最小堆里，然后执行定时器回调。

具体代码如下：

void uv__run_timers(uv_loop_t * loop) {
    struct heap_node * heap_node;
    uv_timer_t * handle;
    for (;;) {
        heap_node = heap_min(timer_heap(loop));
        if (heap_node == NULL) break;
        handle = container_of(heap_node, uv_timer_t, heap_node);
        if (handle - >timeout > loop - >time) break;
        uv_timer_stop(handle);
        uv_timer_again(handle);
        handle - >timer_cb(handle);
    }
}

uv__run_pending

遍历所有存储在 pending_queue 中的 I/O 回调函数，当 pending_queue 为空时返回 0；否则在执行完pending_queue 中的回调函数后返回 1。

代码如下：

static int uv__run_pending(uv_loop_t * loop) {
    QUEUE * q;
    QUEUE pq;
    uv__io_t * w;
    if (QUEUE_EMPTY( & loop - >pending_queue)) return 0;
    QUEUE_MOVE( & loop - >pending_queue, &pq);
    while (!QUEUE_EMPTY( & pq)) {
        q = QUEUE_HEAD( & pq);
        QUEUE_REMOVE(q);
        QUEUE_INIT(q);
        w = QUEUE_DATA(q, uv__io_t, pending_queue);
        w - >cb(loop, w, POLLOUT);
    }
    return 1;
}

uvrun_idle / uvrun_prepare / uv__run_check

这 3 个函数都是通过一个宏函数 UV_LOOP_WATCHER_DEFINE 进行定义的，宏函数可以理解为代码模板，或者说用来定义函数的函数。3 次调用宏函数并分别传入 name 参数值 prepare、check、idle，同时定义了 uvrun_idle、uvrun_prepare、uv__run_check 3 个函数。

所以说它们的执行逻辑是一致的，都是按照先进先出原则循环遍历并取出队列 loop->name##_handles 中的对象，然后执行对应的回调函数。

#define UV_LOOP_WATCHER_DEFINE(name, type)
void uv__run_##name(uv_loop_t* loop) {
  uv_##name##_t* h;
  QUEUE queue;
  QUEUE* q;
  QUEUE_MOVE(&loop->name##_handles, &queue);
  while (!QUEUE_EMPTY(&queue)) {
    q = QUEUE_HEAD(&queue);
    h = QUEUE_DATA(q, uv_##name##_t, queue);
    QUEUE_REMOVE(q);
    QUEUE_INSERT_TAIL(&loop->name##_handles, q);
    h->name##_cb(h);
  }
}
UV_LOOP_WATCHER_DEFINE(prepare, PREPARE) 
UV_LOOP_WATCHER_DEFINE(check, CHECK) 
UV_LOOP_WATCHER_DEFINE(idle, IDLE)

uv__io_poll

uv__io_poll 主要是用来轮询 I/O 操作。具体实现根据操作系统的不同会有所区别，我们以 Linux 系统为例进行分析。

uv__io_poll 函数源码较多，核心为两段循环代码，部分代码如下：

void uv__io_poll(uv_loop_t * loop, int timeout) {
    while (!QUEUE_EMPTY( & loop - >watcher_queue)) {
        q = QUEUE_HEAD( & loop - >watcher_queue);
        QUEUE_REMOVE(q);
        QUEUE_INIT(q);
        w = QUEUE_DATA(q, uv__io_t, watcher_queue);
        e.events = w - >pevents;
        e.data.fd = w - >fd;
        if (w - >events == 0) op = EPOLL_CTL_ADD;
        else op = EPOLL_CTL_MOD;
        if (epoll_ctl(loop - >backend_fd, op, w - >fd, &e)) {
            if (errno != EEXIST) abort();
            if (epoll_ctl(loop - >backend_fd, EPOLL_CTL_MOD, w - >fd, &e)) abort();
        }
        w - >events = w - >pevents;
    }
    for (;;) {
        for (i = 0; i < nfds; i++) {
            pe = events + i;
            fd = pe - >data.fd;
            w = loop - >watchers[fd];
            pe - >events &= w - >pevents | POLLERR | POLLHUP;
            if (pe - >events == POLLERR || pe - >events == POLLHUP) pe - >events |= w - >pevents & (POLLIN | POLLOUT | UV__POLLRDHUP | UV__POLLPRI);
            if (pe - >events != 0) {
                if (w == &loop - >signal_io_watcher) have_signals = 1;
                else w - >cb(loop, w, pe - >events);
                nevents++;
            }
        }
        if (have_signals != 0) loop - >signal_io_watcher.cb(loop, &loop - >signal_io_watcher, POLLIN);
    }...
}

在 while 循环中，遍历观察者队列 watcher_queue，并把事件和文件描述符取出来赋值给事件对象 e，然后调用 epoll_ctl 函数来注册或修改 epoll 事件。

在 for 循环中，会先将 epoll 中等待的文件描述符取出赋值给 nfds，然后再遍历 nfds，执行回调函数。

uv__run_closing_handles

遍历等待关闭的队列，关闭 stream、tcp、udp 等 handle，然后调用 handle 对应的 close_cb。代码如下：

static void uv__run_closing_handles(uv_loop_t * loop) {
    uv_handle_t * p;
    uv_handle_t * q;
    p = loop - >closing_handles;
    loop - >closing_handles = NULL;
    while (p) {
        q = p - >next_closing;
        uv__finish_close(p);
        p = q;
    }
}

process.nextTick 和 Promise

虽然 process.nextTick 和 Promise 都是异步 API，但并不属于事件轮询的一部分，它们都有各自的任务队列，在事件轮询的每个步骤完成后执行。所以当我们使用这两个异步 API 的时候要注意，如果在传入的回调函数中执行长任务或递归，则会导致事件轮询被阻塞，从而 “饿死”I/O 操作。

下面的代码就是通过递归调用 prcoess.nextTick 而导致 fs.readFile 的回调函数无法执行的例子。

fs.readFile('config.json', (err, data) = >{...
}) const traverse = () = >{
    process.nextTick(traverse)
}

要解决这个问题，可以使用 setImmediate 来替代，因为 setImmediate 会在事件轮询中执行回调函数队列。process.nextTick 任务队列优先级比 Promise任务队列更高，具体的原因可以参看下面的代码：

function processTicksAndRejections() {
    let tock;
    do {
        while (tock = queue.shift()) {
            const asyncId = tock[async_id_symbol];
            emitBefore(asyncId, tock[trigger_async_id_symbol], tock);
            try {
                const callback = tock.callback;
                if (tock.args === undefined) {
                    callback();
                } else {
                    const args = tock.args;
                    switch (args.length) {
                    case 1:
                        callback(args[0]);
                        break;
                    case 2:
                        callback(args[0], args[1]);
                        break;
                    case 3:
                        callback(args[0], args[1], args[2]);
                        break;
                    case 4:
                        callback(args[0], args[1], args[2], args[3]);
                        break;
                    default:
                        callback(...args);
                    }
                }
            } finally {
                if (destroyHooksExist()) emitDestroy(asyncId);
            }
            emitAfter(asyncId);
        }
        runMicrotasks();
    } while (! queue . isEmpty () || processPromiseRejections());
    setHasTickScheduled(false);
    setHasRejectionToWarn(false);
}

从 processTicksAndRejections() 函数中可以看出，首先通过 while 循环取出 queue 队列的回调函数，而这个 queue 队列中的回调函数就是通过 process.nextTick 来添加的。当 while 循环结束后才调用runMicrotasks() 函数执行 Promise 的回调函数。

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