Linux操作系统的I/O模型

JAVA的NIO引入了异步I/O，而Node.js宣称的就是异步编程，I/O自然是异步的。其实操作系统在很早就引入了异步I/O的概念，如下图（摘自Unix网络编程中的图片）：

我对上图的理解有几点：

  1. 从IO设备读取数据到用户内存的整个过程都是由系统内核来完成；
  2. 数据总是先被拷贝到内核缓冲区，再由内核缓冲区拷贝到用户内存；
  3. 除了异步I/O，其余4种I/O模型其实都是阻塞的，至少在数据从内核拷贝到用户内存时是阻塞的；
  4. 虽然异步I/O看上去是理想解决方案，但实现上现在用得最多的应该是多路I/O复用，有select、poll、epoll的实现，性能最好的是epoll；
  5. 异步I/O现在被认为有缺陷，仅支持O_DIRECT而无法支持系统缓存。

Node.js中的异步I/O

因为内核中的异步I/O有缺陷，现实中的异步I/O通常由用户态的线程池模拟完成，如下图：

Node.js中原本使用了libeio异步I/O库，在v0.9.3后改为自己实现的线程池来完成异步I/O。所以在Node.js中，除了用户的Javascript代码是单线程外，所有I/O都是多线程并行执行的。

Node.js中的异步I/O调用

Node.js通过事件循环的模式运行，在每一个循环的过程中，通过询问一个或多个观察者来判断是否有事件要处理，而观察者可以有文件I/O观察者、网络I/O观察者等。

Node.js中异步I/O调用的大致流程如下：

  • 发起I/O调用
    1. 用户通过Javascript代码调用Node核心模块，将参数和回调函数传入到核心模块；
    2. Node核心模块会将传入的参数和回调函数封装成一个请求对象；
    3. 将这个请求对象推入到I/O线程池等待执行；
    4. Javascript发起的异步调用结束，Javascript线程继续执行后续操作。
  • 执行回调
    1. I/O操作完成后，会将结果储存到请求对象的result属性上，并发出操作完成的通知；
    2. 每次事件循环时会检查是否有完成的I/O操作，如果有就将请求对象加入到I/O观察者队列中，之后当做事件处理；
    3. 处理I/O观察者事件时，会取出之前封装在请求对象中的回调函数，执行这个回调函数，并将result当参数，以完成Javascript回调的目的。