Hablemos de procesos, subprocesos, corrutinas y modelos de concurrencia en Node.js

Node.js ahora se ha convertido en un miembro de la caja de herramientas para crear servicios de aplicaciones de red de alta concurrencia. ¿Por qué Node.js se ha convertido en el favorito del público? Este artículo comenzará con los conceptos básicos de procesos, subprocesos, corrutinas y modelos de E/S, y le brindará una introducción completa a Node.js y el modelo de concurrencia.

Proceso

Generalmente llamamos proceso a una instancia en ejecución de un programa. Es una unidad básica para la asignación y programación de recursos por parte del sistema operativo. Generalmente incluye las siguientes partes:

• Programa: el código a ejecutar, que se utiliza para describir el proceso. requisitos:
• área de datos de funciones completadas: espacio de datos procesados ​​​​por el proceso, incluidos datos, memoria asignada dinámicamente, pila de funciones de procesamiento del usuario, programas modificables y otra información de
• la tabla de procesos: para implementar el modelo de proceso, el sistema operativo lo mantiene; a llamado Es una tabla进程表. Cada proceso ocupa una进程表项(también llamada进程控制块). Esta entrada contiene estados importantes del proceso, como el contador del programa, el puntero de la pila, la asignación de memoria, el estado de los archivos abiertos y la información de programación. .Información para garantizar que después de suspender el proceso, el sistema operativo pueda reactivarlo correctamente.

El proceso tiene las siguientes características:

• Dinamismo: La esencia de un proceso es un proceso de ejecución de un programa en un sistema de programación múltiple. Los procesos se generan y destruyen dinámicamente.
• Concurrencia: Cualquier proceso se puede ejecutar al mismo tiempo que otros procesos
• . El proceso es una unidad básica que puede ejecutarse de forma independiente y también es una unidad independiente para la asignación y programación de recursos por parte del sistema
• : debido a las restricciones mutuas entre los procesos, el proceso tiene una ejecución intermitente, es decir, los procesos se ejecutan de forma independiente; y velocidades impredecibles. Empuja hacia adelante.

Cabe señalar que si un programa se ejecuta dos veces, incluso si el sistema operativo puede permitirles compartir código (es decir, solo hay una copia del código en la memoria), no puede cambiar el hecho de que las dos instancias del programa en ejecución sean dos diferentes. procesa el hecho.

Durante la ejecución del proceso, debido a diversos motivos, como interrupciones y programación de la CPU, el proceso cambiará entre los siguientes estados:

• Estado en ejecución: el proceso se está ejecutando en este momento y ocupa la CPU.
• Estado listo: el proceso está listo y se puede ejecutar en cualquier momento, pero se detiene temporalmente porque otros procesos se están ejecutando.
• Estado bloqueado: el proceso está bloqueado en este momento
;
• momento, a menos que ocurra un evento externo (como que hayan llegado datos de entrada del teclado); de lo contrario, el proceso no podrá ejecutarse.

En el diagrama de cambio de estado del proceso anterior, podemos ver que un proceso puede cambiar del estado en ejecución al estado listo y al estado bloqueado, pero solo el estado listo puede cambiar directamente al estado en ejecución. Esto se debe a que:

• cambiar del estado en ejecución al estado listo es. causado por el programador de procesos Sí, porque el sistema piensa que el proceso actual ha consumido demasiado tiempo de CPU y decide dejar que otros procesos usen el tiempo de CPU y el programador de procesos es parte del sistema operativo, pero el proceso no lo hace; incluso siente la existencia del programador,
• cambia del estado de ejecución al bloqueo. El proceso no puede continuar ejecutándose por sus propios motivos (como esperar la entrada del teclado del usuario) y solo puede colgarse y esperar un determinado evento (como el teclado); han llegado los datos de entrada); cuando ocurre un evento relacionado, el proceso se convierte primero al estado listo; si no se está ejecutando ningún otro proceso en este momento, se convertirá al estado de ejecución inmediatamente; Estado listo, esperando la programación por parte del programador de procesos.

Subprocesos

A veces, necesitamos utilizar subprocesos para resolver los siguientes problemas:

• a medida que aumenta el número de procesos, el costo de cambiar entre procesos será cada vez mayor y el uso efectivo de la CPU será cada vez menor. el sistema puede sufrir fenómenos como la animación suspendida;
• cada proceso tiene su propio espacio de memoria independiente y los espacios de memoria entre procesos pueden estar aislados entre sí. Algunas tareas pueden necesitar compartir algunos datos y la sincronización de datos entre múltiples procesos también. mucho.

Con respecto a los subprocesos, necesitamos conocer los siguientes puntos:

• Un subproceso es un flujo de control secuencial único en la ejecución del programa. Es la unidad más pequeña que el sistema operativo puede realizar. Está incluido en el proceso y es la unidad de ejecución real. el proceso;
• un proceso Puede contener varios subprocesos, cada subproceso ejecuta diferentes tareas en paralelo;
• todos los subprocesos de un proceso comparten el espacio de memoria del proceso (incluido el código, los datos, el montón, etc.) y cierta información de recursos (como archivos abiertos y señales del sistema);
• los subprocesos en un proceso no son visibles en otros procesos.

Ahora que entendemos las características básicas de los hilos, hablemos de varios tipos de hilos comunes.

Hilos de estado del kernel

Los subprocesos de estado del kernel son subprocesos admitidos directamente por el sistema operativo. Sus características principales son las siguientes:

• la
• creación, programación, sincronización y destrucción de subprocesos las completa el kernel del sistema, pero su sobrecarga es relativamente costosa;
• subprocesos de estado para varios procesos en el procesador, un núcleo del procesador puede corresponder fácilmente a un subproceso del núcleo, compitiendo así por completo y utilizando los recursos de la CPU,
• solo se puede acceder al código y los datos del núcleo para
• sincronizar los recursos y compartir datos
;
• inferior al del proceso.

Subprocesos en modo de usuario

Los subprocesos en modo de usuario son subprocesos completamente construidos en el espacio del usuario. Sus características principales son las siguientes:

• la creación, programación, sincronización y destrucción de subprocesos se completan en el espacio del usuario, y su sobrecarga es muy baja
• porque los subprocesos en modo de usuario
.
• son mantenidos por el espacio del usuario, el kernel no La existencia de subprocesos en modo de usuario no se percibe, por lo que el kernel solo programa y asigna recursos al proceso al que pertenece. La programación y asignación de recursos de los subprocesos en el proceso son manejadas por. el programa en sí. Esto puede causar que un hilo en modo de usuario se bloquee en la llamada al sistema, existe el riesgo de que todo el proceso se bloquee y
• pueda acceder a todos los espacios de direcciones compartidos y recursos del sistema del proceso al que pertenece; a;
• la sincronización de recursos y el intercambio de datos son más eficientes.

Proceso liviano (LWP)

Un proceso liviano (LWP) es un subproceso de usuario creado y respaldado por el kernel. Sus características principales son las siguientes:

• El espacio de usuario solo puede usar subprocesos del kernel a través de procesos livianos (LWP). puente entre los subprocesos en modo de usuario y los subprocesos del kernel. Por lo tanto, solo mediante el soporte de subprocesos del kernel puede haber un proceso liviano (LWP).

• La mayoría de las operaciones de procesos livianos (LWP) requieren espacio en modo de usuario para iniciar la llamada al sistema. es relativamente costoso (requiere cambiar entre el modo de usuario y el modo de kernel)

• cada proceso liviano (LWP) debe estar asociado con un subproceso del kernel específico, por lo tanto:

  • al igual que los subprocesos del kernel, los recursos de la CPU se pueden competir y utilizar en todo el sistema
  • ; El proceso (LWP) es una unidad de programación de subprocesos independiente, por lo que incluso si un proceso liviano (LWP) está bloqueado en una llamada al sistema, no afecta la ejecución de todo el
  • proceso liviano (LWP) que necesita consumir recursos del kernel (principalmente; refiriéndose al espacio de pila de los subprocesos del kernel), lo que hace imposible que el sistema admita una gran cantidad de procesos livianos (LWP),

• pueden acceder a sus propios procesos Todos los espacios de direcciones compartidos y recursos del sistema;

Resumen

Arriba, presentamos brevemente los tipos de subprocesos comunes (subprocesos de estado del kernel, subprocesos de estado de usuario, procesos livianos). En el uso real, puede usarlos libremente según sus propias necesidades. combinación, como modelos comunes uno a uno, muchos a uno, muchos a muchos y otros. Debido a limitaciones de espacio, este artículo no presentará demasiado sobre esto. Los estudiantes interesados ​​​​pueden estudiarlo por sí mismos.

Coroutine

, también llamado Fiber, es un mecanismo de ejecución de programas basado en subprocesos que permite a los desarrolladores administrar la programación de ejecución, el mantenimiento del estado y otros comportamientos por sí mismos. Sus características principales son

• : La programación de ejecución no requiere cambio de contexto, por lo que tiene una buena eficiencia de ejecución;
• debido a que se ejecuta en el mismo subproceso, no hay problemas de sincronización en la comunicación del subproceso,
• lo que facilita cambiar el flujo de control y simplificar el modelo de programación.

En JavaScript, async/await que usamos con frecuencia es una implementación de corrutina, como el siguiente ejemplo:

function updateUserName(id, name) {
  usuario constante = getUserById(id);
  usuario.updateName(nombre);
  devolver verdadero;
}

función asíncrona updateUserNameAsync(id, nombre) {
  usuario constante = esperar getUserById(id);
  espere usuario.updateName(nombre);
  devolver verdadero;
}

En el ejemplo anterior, la secuencia de ejecución lógica dentro de las funciones updateUserName y updateUserNameAsync es:

• llamar a la función getUserById y asignar su valor de retorno a la variable user ;
• llamar al método updateName del user
• true

La principal diferencia entre los dos radica en el control de estado durante la operación real:

• durante la ejecución de la función updateUserName , se ejecuta en secuencia de acuerdo con la secuencia lógica mencionada anteriormente;
• durante la ejecución de la función updateUserNameAsync , también se ejecuta en secuencia de acuerdo con; La secuencia lógica mencionada anteriormente, pero cuando se encuentre con await , updateUserNameAsync se suspenderá y guardará el estado actual del programa en la ubicación suspendida. No volverá a activar updateUserNameAsync hasta que el fragmento del programa después de await regrese y restaure el estado del programa antes de suspender. y luego Continuar con el siguiente programa.

Del análisis anterior, podemos adivinar audazmente: lo que las corrutinas deben resolver no son los problemas de concurrencia del programa que los procesos y subprocesos deben resolver, sino los problemas encontrados al procesar tareas asincrónicas (como operaciones de archivos, solicitudes de red, etc.); Antes de async/await , solo podíamos manejar tareas asincrónicas a través de funciones de devolución de llamada, lo que fácilmente podría hacernos caer en回调地狱y producir un desorden de código que generalmente es difícil de mantener. A través de rutinas, podemos lograr la sincronización del código asincrónico. .

Lo que hay que tener en cuenta es que la capacidad principal de las corrutinas es poder suspender un determinado programa y mantener el estado de la posición de suspensión del programa, y ​​reanudarlo en la posición suspendida en algún momento en el futuro, y continuar ejecutar el siguiente segmento después de la posición de suspensión.

Modelo de E/S

Una operación I/O completa debe pasar por las siguientes etapas:

• el proceso del usuario (subproceso) inicia una solicitud de operación de I/O al kernel a través de una llamada al sistema,
• el kernel procesa la solicitud de operación de I/O (dividida; en la etapa de preparación y la fase de ejecución real), y devuelve los resultados del procesamiento al hilo del usuario.

Podemos dividir aproximadamente las operaciones I/O en cuatro tipos:阻塞I/O ,非阻塞I/O ,同步I/O y异步I/O Antes de analizar estos tipos, primero nos familiarizaremos con los siguientes dos conjuntos de operaciones. conceptos (aquí se supone que el servicio A llama al servicio B):

• 阻塞/非阻塞:

  • si A regresa solo después de recibir una respuesta de B, entonces la llamada es阻塞调用
  • si A regresa inmediatamente después de llamar a B (es decir, hay; no es necesario esperar a que B complete la ejecución), entonces la llamada es非阻塞调用.

• 同步/异步:

  • si B notifica a A solo después de que se completa la ejecución, entonces el servicio B es同步.
  • Si A llama a B, B inmediatamente notifica a A que se ha recibido la solicitud y luego la ejecuta mediante回调una vez completada la ejecución; El resultado se notifica a A, luego el servicio B es异步.

Muchas personas a menudo confunden阻塞/非阻塞con同步/异步, por lo que se debe prestar especial atención:

• 阻塞/非阻塞es para调用者al servicio;
• 同步/异步es para被调用者del servicio.

Después de comprender阻塞/非阻塞y同步/异步, veamos el I/O 模型específico.

de bloqueo de E/S

: después de que el subproceso del usuario inicia una llamada al sistema I/O , el subproceso del usuario se阻塞inmediatamente hasta que se procese toda la operación I/O y el resultado se devuelva al subproceso del usuario. El proceso (hilo) puede liberar阻塞y continuar realizando operaciones posteriores.

Características:

• dado que este modelo bloqueará el proceso del usuario (hilo), no ocupa recursos de la CPU
• al realizar operaciones I/O , el proceso del usuario (hilo) no puede realizar otras operaciones,
• este modelo solo es adecuado para aplicaciones de pequeña concurrencia; Esto se debe a que una solicitud I/O puede bloquear el subproceso entrante (subproceso), por lo que para responder a la solicitud I/O a tiempo, es necesario asignar un subproceso entrante (subproceso) a cada solicitud, lo que generará una gran cantidad de recursos. uso, y para solicitudes de conexión largas, dado que los recursos entrantes (subprocesos) no se pueden liberar durante mucho tiempo, si hay nuevas solicitudes en el futuro, se producirá un cuello de botella grave en el rendimiento.

Definición

de E / S sin bloqueo

• después de que el usuario inicia una llamada al sistema I/O en un subproceso (subproceso), si la operación I/O no está lista, la llamada de I/O devolverá un error y el usuario no necesita ingresar al hilo (hilo). Espere, pero use el sondeo para detectar si la operación I/O está lista
• una vez que la operación esté lista, la operación I/O real bloqueará el hilo del usuario hasta que el resultado de la ejecución se devuelva al hilo. hilo del usuario.

Características:

• dado que este modelo requiere que el usuario pregunte continuamente sobre el estado de preparación de la operación I/O (generalmente usando un bucle while ), el modelo necesita ocupar la CPU y consumir recursos de la CPU
• antes de que la operación I/O esté lista, el usuario; necesita ingresar (El subproceso) el subproceso no se bloqueará cuando la operación I/O esté lista, las operaciones I/O reales posteriores impedirán que el usuario ingrese al subproceso (subproceso).
• Este modelo solo es adecuado para aplicaciones con un
subproceso;
• pequeña cantidad de concurrencia y que no requieren una respuesta oportuna.

E/S síncrona (asíncrona)

Después de que el proceso de usuario (subproceso) inicia una llamada al sistema I/O , si la llamada I/O provoca que el proceso de usuario (subproceso) se bloquee, entonces la llamada I/O es同步I/O de lo contrario es异步I/O .

El criterio para juzgar si una operación I/O同步o异步es el mecanismo de comunicación entre los subprocesos del usuario y las operaciones I/O . En el

• caso de同步, la interacción entre los subprocesos del usuario y I/O se sincroniza a través del búfer del núcleo. es decir, el kernel sincronizará los resultados de la ejecución de la operación de I/O con el búfer y luego copiará los datos en el búfer al subproceso del usuario. Este proceso bloqueará el subproceso del usuario hasta que la operación I/O se complete
• de异步
.
• En situaciones, la interacción entre el hilo del usuario (hilo) y I/O se sincroniza directamente a través del kernel, es decir, el kernel copiará directamente los resultados de la ejecución de la operación de I/O al hilo del usuario (hilo). no bloquear el proceso (hilo) del usuario.

El modelo de concurrencia de Node.js

Node.js utiliza un modelo de I/O asíncrono controlado por eventos de un solo subproceso. Personalmente, creo que la razón para elegir este modelo es:

• JavaScript se ejecuta en modo de un solo subproceso en V8, que implementa múltiples. Los subprocesos son extremadamente difíciles;
• la mayoría de las aplicaciones de red requieren un uso intensivo I/O . Cómo gestionar de manera razonable y eficiente recursos de subprocesos múltiples garantizando al mismo tiempo una alta concurrencia es más complicado que la gestión de recursos de un solo subproceso.

En resumen, con fines de simplicidad y eficiencia, Node.js adopta un modelo I/O asíncrono controlado por eventos de un solo subproceso e implementa su modelo a través del EventLoop del subproceso principal y el subproceso de trabajo auxiliar:

• Después del Node. js se inicia, el hilo principal de Node.js creará un EventLoop. La función principal de EventLoop es registrar la función de devolución de llamada del evento y ejecutarla en un ciclo de eventos futuro.
• El hilo de trabajo se utiliza para realizar tareas de eventos específicas
;
• (otros subprocesos distintos del subproceso principal) (ejecutados de manera sincrónica) y luego devolver los resultados de la ejecución al EventLoop del subproceso principal, para que EventLoop pueda ejecutar la función de devolución de llamada del evento relevante.

Cabe señalar que Node.js no es adecuado para realizar tareas que requieren un uso intensivo de la CPU (es decir, que requieren muchos cálculos); esto se debe a que el código EventLoop y JavaScript (código de tarea de evento no asíncrono) se ejecutan en el mismo subproceso; el hilo principal), y cualquiera de ellos Si uno se ejecuta durante demasiado tiempo, puede causar que el hilo principal se bloquee. Si la aplicación contiene una gran cantidad de tareas que requieren una ejecución prolongada, reducirá el rendimiento del servidor e incluso puede. hacer que el servidor deje de responder.

Resumen

Node.js es una tecnología que los desarrolladores front-end deben enfrentar ahora e incluso en el futuro. Sin embargo, la mayoría de los desarrolladores front-end solo tienen un conocimiento superficial de Node.js para que todos comprendan mejor el modelo de concurrencia de Node. .js. Este artículo presenta primero procesos, subprocesos y corrutinas, luego presenta diferentes modelos I/O y, finalmente, ofrece una breve introducción al modelo de concurrencia de Node.js. Aunque no hay mucho espacio para presentar el modelo de concurrencia de Node.js, el autor cree que nunca se puede separar de los principios básicos. Dominar los conceptos básicos relevantes y luego comprender profundamente el diseño y la implementación de Node.js obtendrá el doble de resultado. con la mitad del esfuerzo.

Finalmente, si hay algún error en este artículo, espero que puedan corregirlo. Les deseo a todos una feliz codificación todos los días.