作者：正龍（滬江Web前端開發工程師）
本文為原創文章，轉載請註明作者及出處
上文“走進Node.js啟動過程”中我們算是成功入門了。既然Node.js的強項是處理網路請求，那我們就來分析一個HTTP請求在Node.js中是怎麼被處理的，以及JavaScript在這個過程中引入的開銷到底有多大。
Node.js採用的網路請求處理模型是IO多路複用。它與傳統的主從多執行緒併發模型是有區別的：只使用有限的執行緒數（1個），所以佔用系統資源很少；作業系統級的非同步IO支援，可以減少使用者態/核心態切換，並且本身效能更高（因為直接與網路卡驅動互動）；JavaScript天生具有保護程式執行現場的能力（閉包），傳統模型要麼依賴應用程式自己儲存現場，或者依賴執行緒切換時自動完成。當然，並不能說IO多路複用就是最好的併發模型，關鍵還是看應用場景。
我們來看“hello world”版Node.js網路伺服器：
require('http').createServer((req, res) => {
res.end('hello world');
}).listen(3333);複製程式碼程式碼思路分析
createServer([requestListener])
createServer建立了http.Server物件，它繼承自net.Server。事實上，HTTP協議確實是基於TCP協議實現的。createServer的可選引數requestListener用於監聽request事件；另外，它也監聽connection事件，只不過回撥函式是http.Server自己實現的。然後呼叫listen讓http.Server物件在埠3333上監聽連線請求並最終建立TCP物件，由tcp_wrap.h實現。最後會呼叫TCP物件的listen方法，這才真正在指定埠開始提供服務。我們來看看涉及到的所有JavaScript物件：
涉及到的C++類大多隻是對libuv做了一層包裝並公佈給JavaScript，所以不在這裡特別列出。我們有必要提一下http-parser，它是用來解析http請求/響應訊息的，本身十分高效：沒有任何系統呼叫，沒有記憶體分配操作，純C實現。
connection事件
當伺服器接受了一個連線請求後，會觸發connection事件。我們可以在這個結點獲取到套接字檔案描述符，之後就可以在這個檔案描述符上做流式讀或寫，也就是所謂的全雙工模式。上文提到net.Server的listen方法會建立TCP物件，並且提供TCP物件的onconnection事件回撥方法；這裡可以利用欄位net.Server.maxConnections做過載保護，後面會講到。並且會把clientHandle（本次連線的套接字檔案描述符）封裝成net.Socket物件，作為connection事件的引數。我們來看看呼叫過程：
tcp_wrap.cc
void TCPWrap::Listen(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
int err = uv_listen(reinterpret_cast<uv_stream_t*>(&wrap->handle_),
backlog,
OnConnection);
args.GetReturnValue().Set(err);
}複製程式碼OnConnection 在connection_wrap.cc中定義
// ...省略不重要的程式碼
uv_stream_t* client_handle =
reinterpret_cast<uv_stream_t*>(&wrap->handle_);
// uv_accept can fail if the new connection has already been closed, in
// which case an EAGAIN (resource temporarily unavailable) will be
// returned.
if (uv_accept(handle, client_handle))
return;
// Successful accept. Call the onconnection callback in JavaScript land.
argv[1] = client_obj;
// ...省略不重要的程式碼
wrap_data->MakeCallback(env->onconnection_string(), arraysize(argv), argv);複製程式碼上文提到的clientHandle實際上是uv_accept的第二個引數，指服務當前連線的套接字檔案描述符。net.Server的欄位 _handle 會在JavaScript側儲存該欄位。最後我們上一張流程圖：
request事件
connection事件的回撥函式connectionListener（lib/_http_server.js）中，首先獲取http-parser物件，設定parser.onIncoming回撥（馬上會用到）。當連線套接字有資料到達時，呼叫http-parser.execute方法。http-parser在解析過程中會觸發如下回撥函式：
on_message_begin：在開始解析HTTP訊息之前，可以設定http-parser的初始狀態（注意http-parse有可能是複用的而不是重每次新建立）
on_url：解析請求的url，對響應訊息不起作用
on_status, 解析狀態碼，只對http響應訊息起作用
on_head_field, 頭欄位名稱
on_head_value：頭欄位對應值
on_headers_complete：當所有頭解析完成時
on_body：解析http訊息中包含的payload
on_message_complete：解析工作結束
Node.js中Parser類是對http-parser的包裝，它會註冊上面所有的回撥函式。同時，暴露給JavaScript5個事件：
kOnHeaders，kOnHeadersComplete，kOnBody，kOnMessageComplete，kOnExecute。在lib/_http_common.js中監聽了這些事件。其中，當需要強制把頭欄位回傳到JavaScript時會觸發kOnHeaders；例如，頭欄位個數超過32，或者解析結束時仍然有頭欄位沒有回傳給JavaScript。當呼叫完http_parser_execute後觸發kOnExecute。kOnHeadersComplete事件觸發時，會呼叫parser的onIncoming回撥函式。僅僅HTTP頭解析完成之後，就會觸發request事件。執行流程如下：
總結
說了那麼多，其實仍然離不開最基礎的套接字程式設計步驟，對於伺服器端依次是：create、bind，listen、accept和close。客戶端會經歷create、bind、connect和close。想了解更多套接字程式設計的同學可以參考《UNIX網路程式設計》。
HTTP場景分析
上面提到的Node.js版hello world只涵蓋了HTTP處理最基本的情況，但是也足以說明Node.js處理得非常簡潔。現在，我們來分析一些典型的HTTP場景。
1. keep-alive
對於前端應用，HTTP請求瞬間數量比較多，但每個請求傳輸的資料一般不大；這時，用同一個TCP連線處理同一個使用者發出的HTTP請求可以顯著提高效能。但是keep-alive也不是萬能的，如果使用者每次只發起一個請求，它反而會因為延長連線的生存時間，浪費伺服器資源。
針對同一個連線，Node.js會維持一個incoming佇列和一個outgoing佇列。應用程式通過監聽request事件，可以訪問ServerResponse和IncomingMessage物件，當請求處理完成之後（呼叫response.end()）,ServerResponse會響應finish事件。如果它是本次連線上最後一個response物件，則準備關閉連線；否則，繼續觸發request事件。每個連線最長超時時間預設為2分鐘，可以通過http.Server.setTimeout調整。
現在把我們的Node.js版hello world修改一下
var delay = [2000, 30, 500];
var i = 0;
require('http').createServer((req, res) => {
// 為了讓請求模擬更真實，會調整每個請求的響應時間
setTimeout(() => {
res.end('hello world');
}, delay[i]);
i = (i+1)%(delay.length);
}).listen(3333, () => {
// listen的回撥函式
console.log('listen at 3333');
});複製程式碼客戶端程式碼如下：
var http = require('http');
// 設定HTTP agent開啟keep-alive模式
// 套接字的開啟時間維持1分鐘
var agent = new http.Agent({
keepAlive: true,
keepAliveMsecs: 60000
});
// 每次請求結束之後，都會再發起一次請求
// doReq每呼叫一次只會觸發2次請求
function doReq(again, iter) {
let request = http.request({
hostname: '192.168.1.10',
port: 3333,
agent:agent
}, (res) => {
console.log(`${new Date().valueOf()} ${iter} ${again} Headers: ${JSON.stringify(res.headers)}`);
console.log(request.socket.localPort);
// 設定解析響應的編碼格式
res.setEncoding('utf8');
// 接收響應
res.on('data', (chunk) => {
console.log(`${new Date().valueOf()} ${iter} ${again} Body: ${chunk}`);
});
if (again) doReq(false, iter);
});
// 發起請求
request.end();
}
for (let i = 0; i < 3; i++) {
doReq(true, i);
}複製程式碼套接字複用的時序如下：
2. Expect頭
如果客戶端在傳送POST請求之前，由於傳輸的資料量比較大，期望向伺服器確認請求是否能被處理；這種情況下，可以先傳送一個包含頭Expect:100-continue的http請求。如果伺服器能處理此請求，則返回響應狀態碼100（Continue）；否則，返回417（Expectation Failed）。預設情況下，Node.js會自動響應狀態碼100；同時，http.Server會觸發事件checkContinue和checkExpectation來方便我們做特殊處理。具體規則是：當伺服器收到頭欄位Expect時：如果其值為100-continue，會觸發checkContinue事件，預設行為是返回100；如果值為其它，會觸發checkExpectation事件，預設行為是返回417。
例如，我們通過curl傳送HTTP請求：
curl -vs --header "Expect:100-continue" http://localhost:3333複製程式碼互動過程如下
> GET / HTTP/1.1
> Host: localhost:3333
> User-Agent: curl/7.49.1
> Accept: */*
> Expect:100-continue
>
< HTTP/1.1 100 Continue
< HTTP/1.1 200 OK
< Date: Mon, 03 Apr 2017 14:15:47 GMT
< Connection: keep-alive
< Content-Length: 11
<複製程式碼我們接收到2個響應，分別是狀態碼100和200。前一個是Node.js的預設行為，後一個是應用程式程式碼行為。
3. HTTP代理
在實際開發時，用到http代理的機會還是挺多的，比如，測試說線上出bug了，觸屏版頁面顯示有問題；我們一般第一時間會去看api返回是否正常，這個時候在手機上設定好代理就能輕鬆捕獲HTTP請求了。老牌的代理工具有fiddler，charles。其實，nodejs下也有，例如node-http-proxy，anyproxy。基本思路是監聽request事件，當客戶端與代理建立HTTP連線之後，代理會向真正請求的伺服器發起連線，然後把兩個套接字的流綁在一起。我們可以實現一個簡單的代理伺服器：
var http = require('http');
var url = require('url');
http.createServer((req, res) => {
// request回撥函式
console.log(`proxy request: ${req.url}`);
var urlObj = url.parse(req.url);
var options = {
hostname: urlObj.hostname,
port: urlObj.port || 80,
path: urlObj.path,
method: req.method,
headers: req.headers
};
// 向目標伺服器發起請求
var proxyRequest = http.request(options, (proxyResponse) => {
// 把目標伺服器的響應返回給客戶端
res.writeHead(proxyResponse.statusCode, proxyResponse.headers);
proxyResponse.pipe(res);
}).on('error', () => {
res.end();
});
// 把客戶端請求資料轉給中間人請求
req.pipe(proxyRequest);
}).listen(8089, '0.0.0.0');複製程式碼驗證下是否真的起作用，curl通過代理伺服器訪問我們的“hello world”版Node.js伺服器：
curl -x http://192.168.132.136:8089 http://localhost:3333/複製程式碼優化策略
Node.js在實現HTTP伺服器時，除了利用高效能的http-parser，自身也做了些效能優化。
1. http_parser物件快取池
http-parser物件處理完一個請求之後不會被立即釋放，而是被放入快取池（/lib/internal/freelist），最多快取1000個http-parser物件。
2. 預設HTTP頭總數
HTTP協議規範並沒有限定可以傳輸的HTTP頭總數上限，http-parser為了避免動態分配記憶體，設定上限預設值是32。其他web伺服器實現也有類似設定；例如，apache能處理的HTTP請求頭預設上限（LimitRequestFields）是100。如果請求訊息中頭欄位真超過了32個，Node.js也能處理，它會把已經解析的頭欄位通過事件kOnHeaders儲存到JavaScript這邊然後繼續解析。 如果頭欄位不超過32個，http-parser會直接處理完並觸發on_headers_complete一次性傳遞所有頭欄位；所以我們在利用Node.js作為web伺服器時，應儘量把頭欄位控制在32個之內。
3. 過載保護
理論上，Node.js允許的同時連線數只與程式可以開啟的檔案描述符上限有關。但是隨著連線數越來越多，佔用的系統資源也越來越多，很有可能連正常的服務都無法保證，甚至可能拖垮整個系統。這時，我們可以設定http.Server的maxConnections，如果當前併發量大於伺服器的處理能力，則伺服器會自動關閉連線。另外，也可以設定socket的超時時間為可接受的最長響應時間。
效能實測
為了簡單分析下Node.js引入的開銷，現在基於libuv和http_parser編寫一個純C的HTTP伺服器。基本思路是，在預設事件迴圈佇列上監聽指定TCP埠；如果該埠上有請求到達，會在佇列上插入一個一個的任務；當這些任務被消費時，會執行connection_cb。見核心程式碼片段：
int main() {
// 初始化uv事件迴圈
loop = uv_default_loop();
uv_tcp_t server;
struct sockaddr_in addr;
// 指定伺服器監聽地址與埠
uv_ip4_addr("192.168.132.136", 3333, &addr);
// 初始化TCP伺服器，並與預設事件迴圈繫結
uv_tcp_init(loop, &server);
// 伺服器埠繫結
uv_tcp_bind(&server, (const struct sockaddr*)&addr, 0);
// 指定連線處理回撥函式connection_cb
// 256為TCP等待佇列長度
int r = uv_listen((uv_stream_t*)&server, 256, connection_cb);
// 開始處理預設時間迴圈上的訊息
// 如果TCP報錯，事件迴圈也會自動退出
return uv_run(loop, UV_RUN_DEFAULT);
}複製程式碼connection_cb呼叫uv_accept會負責與發起請求的客戶端實際建立套接字，並註冊流操作回撥函式read_cb：
void connection_cb(uv_stream_t* server, int status) {
uv_tcp_t* client = (uv_tcp_t*)malloc(sizeof(uv_tcp_t));
uv_tcp_init(loop, client);
// 與客戶端建立套接字
uv_accept(server, (uv_stream_t*)client);
uv_read_start((uv_stream_t*)client, alloc_buffer, read_cb);
}複製程式碼上文中read_cb用於讀取客戶端請求資料，併傳送響應資料：
void read_cb(uv_stream_t* stream, ssize_t nread, const uv_buf_t* buf) {
if (nread > 0) {
memcpy(reqBuf + bufEnd, buf->base, nread);
bufEnd += nread;
free(buf->base);
// 驗證TCP請求資料是否是合法的HTTP報文
http_parser_execute(parser, &settings, reqBuf, bufEnd);
uv_write_t* req = (uv_write_t*)malloc(sizeof(uv_write_t));
uv_buf_t* response = malloc(sizeof(uv_buf_t));
// 響應HTTP報文
response->base = "HTTP/1.1 200 OK\r\nConnection:close\r\nContent-Length:11\r\n\r\nhello world\r\n\r\n";
response->len = strlen(response->base);
uv_write(req, stream, response, 1, write_cb);
} else if (nread == UV_EOF) {
uv_close((uv_handle_t*)stream, close_cb);
}
}複製程式碼全部原始碼請參見simple HTTP server。我們使用apache benchmark來做壓力測試：併發數為5000，總請求數為100000。
ab -c 5000 -n 100000 http://192.168.132.136:3333/複製程式碼測試結果如下： 0.8秒（C） vs 5秒（Node.js）
我們再看看記憶體佔用，0.6MB（C） vs 51MB（Node.js）
Node.js雖然引入了一些開銷，但是從程式碼實現行數上確實要簡潔很多。
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