1.1　認識Node.js

Node.js是當今網站開發中非常流行的一種技術，它以簡單易學、開發成本低、高并發等特點而深受廣大開發者歡迎，本節將對Node.js的基本概念、工作原理、優缺點，以及應用領域等進行介紹。

1.1.1　什么是Node.js

Node.js（簡稱Node）是一個開源的、基于Chrome V8引擎的服務器端JavaScript運行時環境，可以在瀏覽器環境以外的主機上解釋和運行JavaScript代碼，它發布于2009年5月，由谷歌工程師Ryan Dahl開發。Node.js支持現在大部分的主流瀏覽器，包括Chrome、Microsoft Edge和Opera等。Node.js主要由標準庫、中間層和底層庫這3部分組成，其架構如圖1.1所示。

下面分別對圖1.1中的Node.js結構層進行介紹。

　標準庫（Node standard library）：提供了開發人員能夠直接進行調用并使用的一些API，如http模塊、stream流模塊、fs文件系統模塊等，可以使用JavaScript代碼直接調用。

　中間層（Node binding）：由于Node.js的底層庫采用C/C++實現，而標準庫中的JavaScript代碼無法直接與C/C++進行通信，因此提供了中間層，它在標準庫和底層庫之間起到了橋梁的作用，它封裝了底層庫中V8引擎和libuv等的實現細節，并向標準庫提供基礎API服務。

　底層庫（C/C++實現）：底層庫是Node.js運行的關鍵，它由C/C++實現，包括V8引擎、libuv、C-ares、OpenSSL、zlib等，它們的主要作用如下。

?　V8引擎：Google的一個開源的JavaScript和WebAssembly引擎，使用C++語言編寫，用于Chrome瀏覽器和Node.js等。V8引擎主要是為了提高JavaScript的運行效率，因此它采用了提前編譯的方式，將JavaScript編譯為原生機器碼，這樣在執行階段程序的執行效率可以完全媲美二進制程序。

?　libuv：一個專門為Node.js量身打造的跨平臺異步I/O庫，使用C語言編寫，提供了非阻塞的文件系統、DNS、網絡、子進程、管道、信號、輪詢和流式處理機制。Node.js會通過中間層將用戶的JavaScript代碼傳遞給底層庫的V8引擎進行解析，然后通過libuv進行循環調度，最后再返回給調用Node.js標準庫的應用。

?　C-ares：一個用來處理異步DNS請求的庫，使用C語言編寫，對應Node.js中dns模塊提供的resolve()系列方法。

?　OpenSSL：一個通用的加密庫，通常用于網絡傳輸中的TLS和SSL協議實現，對應Node.js中的tls、crypto模塊。

?　zlib：一個提供壓縮和解壓支持的底層模塊。

1.1.2　Node.js的工作原理

通過上一節的講解，我們了解了Node.js的基本技術架構，本節進一步講解Node.js的工作原理。

1．事件驅動

Node.js采用一種獨特的事件驅動思想，將I/O操作作為事件響應，而不是阻塞操作，從而實現了事件函數的快速執行與錯誤處理。由于Node.js能夠采用異步非阻塞的方式訪問文件系統、數據庫、網絡等外部資源，因此，它能夠高效地處理海量的并發請求，極大地提高了應用程序的吞吐量。

2．單線程

Node.js采用單線程模型，只需要輕量級的線程即可處理大量的請求。與多線程模型相比，這種模型消除了線程之間的競爭，使得程序的穩定性大幅度提升。在Node.js的單線程模型中，所有的I/O操作都被放在事件隊列中，一旦事件出現，Node.js就會依次處理它們。事實上，大多數網站的服務器端都不會做太多的計算，它們接收到請求以后，把請求交給其他服務來處理（如讀取數據庫），然后等待結果返回，再把結果發給客戶端。因此，Node.js針對這一事實采用了單線程模型來處理，它不會為每個接入請求分配一個線程，而是用一個主線程處理所有的請求，然后對I/O操作進行異步處理，避開了創建、銷毀線程以及在線程間切換所需的開銷和復雜性。

3．非阻塞I/O

在傳統的I/O操作（例如，讀取或寫入磁盤文件，或者對遠程服務器進行網絡調用）中，當數據讀取或寫入操作發生時，程序會被阻塞，等數據讀取或寫入操作完成后才能進入下一步操作。但是，在Node.js中，所有的I/O操作都是非阻塞的，當某個I/O操作發生時，不是等待其執行完成才能進入下一步操作，而是直接回調相應的函數，從而實現了對外部資源的高效訪問。

4．事件循環

Node.js采用了一種特殊的設計方式—事件循環，它在工作線程池中維護一個任務隊列，當接到請求后，將該請求作為一個事件放入這個隊列中，然后繼續接收其他請求，同時，Node.js程序會不斷地從工作隊列中獲取要執行的事件，并通過事件循環流程對其進行處理。圖1.2給出了Node.js中事件循環的工作原理。

事件循環的主要工作階段如下。

（1）計時器：處理由setTimeout()和setInterval()設置的回調。

（2）回調：運行掛起的回調函數。

（3）輪詢：檢索傳入的I/O事件并運行與I/O相關的回調。

（4）檢查：完成輪詢后立即運行回調。

（5）關閉回調：關閉事件和回調。

5．模塊化設計

在Node.js中，采用了一種模塊化的設計方式，按照功能模塊將代碼拆分成多個文件，使用require函數引入，從而提高了代碼的復用率，同時也增強了代碼的可維護性。另外，Node.js提供了許多內置模塊，如http模塊、fs模塊等，能夠幫助開發者快速搭建Web應用。

1.1.3　Node.js的優缺點

作為一種能夠同時進行前端和后端開發的“年輕”編程語言，Node.js既有優點也有缺點，下面分別進行介紹。

Node.js的優點如下。

　前后端一體化開發：Node.js使用JavaScript作為開發語言，使得前端和后端都可以使用同一種語言進行開發，從而提高開發效率和代碼的可維護性。

　豐富的模塊庫：Node.js的生態系統非常豐富，擁有大量的第三方模塊，使得開發者可以快速構建出各種類型的應用。

　輕量級：Node.js采用模塊化開發方式，使得應用程序可以輕松地分解成小模塊，從而提高了可維護性和可擴展性。

　易部署：使用Node.js開發的應用程序可以輕松地部署到各種云端平臺上。

Node.js的缺點如下。

　缺少嚴格的類型檢查：Node.js是基于JavaScrpt的，它沒有嚴格的類型檢查，這既是它的優點，也是它的缺點，優點是開發自由度很高，但缺點是程序出現問題時，檢查調試會比較困難。

　可靠性不如傳統后端語言：由于Node.js的相對年輕和快速迭代，它在可靠性和穩定性方面，相對傳統后端語言（如Java、C語言、C#等）還有一定的差距。

　CPU密集型任務表現不佳：由于Node.js的單線程模型，當需要進行大量的CPU密集型計算時，可能會出現性能瓶頸，導致程序的運行效率下降。

1.1.4　Node.js能做什么

使用Node.js可以生成以下類型的應用程序。

　HTTP Web服務器。

　微服務或無服務器API后端。

　用于數據庫訪問和查詢的驅動程序。

　交互式命令行接口。

　桌面應用程序。

　實時物聯網（IoT）客戶端和服務器端。

　適用于桌面應用程序的插件。

　用于文件處理或網絡訪問的Shell腳本。

　機器學習庫和模型。

1.1.5　誰在使用Node.js

前端最流行的JavaScript正在一步步走入后端，得益于V8引擎，Node.js為JavaScript運行在后端提供了運行環境，因此，它正在吸引越來越多的公司來使用它，比如用它創建協作工具、聊天工具、社交媒體應用程序等。

據不完全統計，現在已經有越來越多的國際和國內知名公司在內部使用了Node.js技術，如流媒體視頻網站Netflix、在線支付平臺PayPal、社交平臺LinkedIn、Node.js專業中文社區CNode、購物平臺淘寶網、騰訊官網等。