Node.js採用 事件驅動 和 非同步I/O 的方式，實現了一個單執行緒、高併發的執行時環境，而單執行緒就意味著同一時間只能做一件事，那麼Node.js如何利用單執行緒來實現高併發和非同步I/O？本文將圍繞這個問題來探討Node.js的單執行緒模型：
1、高併發
一般來說，高併發的解決方案就是多執行緒模型，伺服器為每個客戶端請求分配一個執行緒，使用同步I/O，系統通過執行緒切換來彌補同步I/O呼叫的時間開銷，比如Apache就是這種策略，由於I/O一般都是耗時操作，因此這種策略很難實現高效能，但非常簡單，可以實現複雜的互動邏輯。
而事實上，大多數網站的伺服器端都不會做太多的計算，它們只是接收請求，交給其它服務（比如從資料庫讀取資料），然後等著結果返回再發給客戶端。因此，Node.js針對這一事實採用了單執行緒模型來處理，它不會為每個接入請求分配一個執行緒，而是用一個主執行緒處理所有的請求，然後對I/O操作進行非同步處理，避開了建立、銷燬執行緒以及線上程間切換所需的開銷和複雜性。
2、事件迴圈
Node.js 在主執行緒中維護了一個事件佇列，當接收到請求後，就將請求作為一個事件放入該佇列中，然後繼續接收其他請求。當主執行緒空閒時(沒有請求接入時)，就開始迴圈事件佇列，檢查佇列中是否有要處理的事件，這時要分兩種情況：如果是非I/O任務，就親自處理，並通過回撥函式返回到上層呼叫；如果是I/O任務，就從執行緒池中拿出一個執行緒來執行這個事件，並指定回撥函式，然後繼續迴圈佇列中的其他事件。當執行緒中的I/O任務完成後，就執行指定的回撥函式，並把這個完成的事件放到事件佇列的尾部，等待事件迴圈，當主執行緒再次迴圈到該事件時，就直接處理並返回給上層呼叫。 這個過程就叫事件迴圈(Event Loop)，如下圖所示：
這個圖是整個Node.js的執行原理，從左到右，從上到下，Node.js被分成了四層，分別是應用層、V8引擎層、Node API層 和 LIBUV層，
- 應用層： 即Javascript互動層，常見的就是Node.js的模組，比如 http，fs
- V8引擎層： 即利用V8引擎來解析Javascript語法，進而和下層API互動
- NodeAPI層： 為上層模組提供系統呼叫，一般是由C語言來實現，和作業系統進行互動
- LIBUV層： 即Event Loop，是Node.js實現非同步的核心，由LIBUV庫來實現，而LIBUV中的執行緒池是由作業系統核心接受管理的。
在Node中，無論是Linux平臺還是Windows平臺，內部都是通過執行緒池來完成IO操作的，而LIBUV就是針對不同平臺的差異性實現了統一呼叫。因此，Node.js的單執行緒僅僅是指Javascript執行在單執行緒中，而並非Node.js是單執行緒。
3、事件驅動
Node.js實現非同步的核心是事件驅動。也就是說，它把每一個任務都當成事件來處理，然後通過Event Loop 模擬了非同步的效果，為了更具體、更清晰的理解和接受這個事實，我們用程式碼來描述這個實現過程：
【1】事件佇列
首先，我們需要定義一個事件佇列，既然是佇列，那就是一個先進先出(FIFO)的資料結構，我們用JS的陣列來描述，如下：
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/** * 定義事件佇列 * 入隊：unshfit() * 出隊：pop() * 空佇列：length == 0 */ eventQueue:[], |
為了方便理解，我們規定：陣列的第一個元素是佇列的尾部，陣列的最後一個元素是佇列的頭部， unshfit 就是在尾部插入一個元素，pop就是從頭部彈出一個元素，這樣就實現了一個簡單的佇列。
【2】接收請求
定義一個總的入口來接收使用者請求，如下所示：
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/** * 接收使用者請求 * 每一個請求都會進入到該函式 * 傳遞引數request和response */ processHttpRequest:function(request,response){ //定義一個事件物件 var event = createEvent({ params:request.params, //傳遞請求引數 result:null, //存放請求結果 callback:function(){} //指定回撥函式 }); //在佇列的尾部新增該事件 eventQueue.unshift(event); }, |
這個函式很簡單，就是把使用者的請求包裝成事件，放到佇列裡，然後繼續接收其他請求。
【3】事件迴圈 ( Event Loop )
當主執行緒處於空閒時就開始迴圈事件佇列，所以，我們再定義一個事件迴圈的函式：
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/** * 事件迴圈主體，主執行緒擇機執行 * 迴圈遍歷事件佇列 * 處理事件 * 執行回撥，返回給上層 */ eventLoop:function(){ //如果佇列不為空，就繼續迴圈 while(this.eventQueue.length > 0){ //從佇列的頭部拿出一個事件 var event = this.eventQueue.pop(); //如果是IO任務 if(isIOTask(event)){ //從執行緒池裡拿出一個執行緒 var thread = getThreadFromThreadPool(); //交給執行緒處理 thread.handleIOTask(event) }else { //非IO任務處理後，直接返回結果 var result = handleEvent(event); //最終通過回撥函式返回給V8，再由V8返回給應用程式 event.callback.call(null,result); } } }, |
主執行緒不停的檢測事件佇列，對於IO任務就交給執行緒池來處理，非IO任務就自己處理並返回。
【4】執行緒池
執行緒池接到任務以後，直接處理IO操作，比如讀取資料庫：
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/** * 處理IO任務 * 完成後將事件新增到佇列尾部 * 釋放執行緒 */ handleIOTask:function(event){ //當前執行緒 var curThread = this; //運算元據庫 var optDatabase = function(params,callback){ var result = readDataFromDb(params); callback.call(null,result) }; //執行IO任務 optDatabase(event.params,function(result){ //返回結果存入事件物件中 event.result = result; //IO完成後，將不再是耗時任務 event.isIOTask = false; //將該事件重新新增到佇列的尾部 this.eventQueue.unshift(event); //釋放當前執行緒 releaseThread(curThread) }) } |
當IO任務完成以後就執行回撥，把請求結果存入事件中，並將該事件重新放入佇列中，等待迴圈，最後釋放執行緒。當主執行緒再次迴圈到該事件時，就直接處理了。
總結以上過程我們發現，Node.js 的主執行緒就是一個單執行緒，它接收請求後並沒有直接做處理，而是放到了事件佇列中，然後去接收其他請求了，空閒時再通過Event Loop來處理這些事件，從而實現了非同步效果，當然對於IO類任務還要依賴於系統層面的執行緒池來處理。因此，我們可以簡單理解為：Node.js本身是一個多執行緒平臺，而它對JS層面的任務處理是單執行緒。
4、Node.js軟肋
至此，我們對Node.js應該有了一個簡單而又清晰的認識，但Node.js 並不是什麼都能做。
上面提到，如果是I/O任務，Nodejs就把任務交給執行緒池來非同步處理，高效簡單，因此Node.js適合處理I/O密集型任務，但不是所有的任務都是I/O密集型任務，當碰到CPU密集型任務時，就是隻用CPU計算的操作，比如要對資料加解密(node.bcrypt.js)，資料壓縮和解壓(node-tar)，這時Node.js就會親自處理，一個一個的計算，前面的任務沒有執行完，後面的任務只能乾等著，如下圖所示：
在事件佇列中，如果前面的CPU計算任務沒有完成，那麼後面的任務就會被阻塞，出現響應緩慢的情況，如果作業系統本身就是單核，那也就算了，但現在大部分伺服器都是多CPU或多核的，而Node.js只有一個EventLoop，也只佔用一個CPU/核心，當Node.js被CPU密集型任務佔用，導致其他任務被阻塞時，卻還有CPU/核心處理閒置狀態，造成資源浪費。因此Node.js並不適合CPU密集型任務。
5、Node.js適用場景
RESTful API，這是適合 Node 的理想情況，因為您可以構建它來處理數萬條連線。它仍然不需要大量邏輯；它本質上只是從某個資料庫中查詢一些值並將它們組成一個響應。由於響應是少量文字，入站請求也是少量的文字，因此流量不高，一臺機器甚至也可以處理最繁忙的公司的 API 需求。
實時程式，比如聊天服務，聊天應用程式是最能體現 Node.js 優點的例子：輕量級、高流量並且能良好的應對跨平臺裝置上執行密集型資料（雖然計算能力低）。同時，聊天也是一個非常值得學習的用例，因為它很簡單，並且涵蓋了目前為止一個典型的 Node.js 會用到的大部分解決方案。