Node.js采用事件驱动和异步I/O的方式，实现了一个单线程、高并发的Javascript运行时环境，而单线程就意味着同一时间只能做一件事，那么Node.js如何通过单线程来实现高并发和异步I/O？本文将围绕这个问题来探讨Node.js的单线程模型：

1、高并发

一般来说，高并发的解决方案就是提供多线程模型，服务器为每个客户端请求分配一个线程，使用同步I/O，系统通过线程切换来弥补同步I/O调用的时间开销。比如Apache就是这种策略，由于I/O一般都是耗时操作，因此这种策略很难实现高性能，但非常简单，可以实现复杂的交互逻辑。

而事实上，大多数网站的服务器端都不会做太多的计算，它们接收到请求以后，把请求交给其它服务来处理（比如读取数据库），然后等着结果返回，最后再把结果发给客户端。因此，Node.js针对这一事实采用了单线程模型来处理，它不会为每个接入请求分配一个线程，而是用一个主线程处理所有的请求，然后对I/O操作进行异步处理，避开了创建、销毁线程以及在线程间切换所需的开销和复杂性。

2、事件循环 ( Event Loop )

Node.js 在主线程里维护了一个事件队列，当接到请求后，就将该请求作为一个事件放入这个队列中，然后继续接收其他请求。当主线程空闲时(没有请求接入时)，就开始循环事件队列，检查队列中是否有要处理的事件，这时要分两种情况：如果是非I/O任务，就亲自处理，并通过回调函数返回到上层调用；如果是I/O任务，就从线程池中拿出一个线程来处理这个事件，并指定回调函数，然后继续循环队列中的其他事件。

当线程中的I/O任务完成以后，就执行指定的回调函数，并把这个完成的事件放到事件队列的尾部，等待事件循环，当主线程再次循环到该事件时，就直接处理并返回给上层调用。 这个过程就叫事件循环(Event Loop)，其运行原理如下图所示：

这个图是整个Node.js的运行原理，从左到右，从上到下，Node.js被分为了四层，分别是应用层、V8引擎层、Node API层 和 LIBUV层。

在Node中，无论是Linux平台还是Windows平台，内部都是通过线程池来完成IO操作的，而LIBUV就是针对不同平台的差异性实现了统一调用。因此，Node.js的单线程仅仅是指Javascript运行在单线程中，而并非Node.js是单线程。

3、事件驱动模型

Node.js实现异步的核心是事件驱动，也就是说，它把每一个任务都当成事件来处理，然后通过Event Loop 模拟了异步的效果，为了更具体、更清晰的理解和接受这个事实，我们用代码来描述这个实现过程：

【1】定义事件队列

既然是队列，那就是一个先进先出(FIFO)的数据结构，我们用JS数组来描述，如下：

/** * 定义事件队列 * 入队：unshfit() * 出队：pop() * 空队列：length == 0 */ eventQueue:[]

为了方便理解，我们规定：数组的第一个元素是队列的尾部，数组的最后一个元素是队列的头部，unshfit() 就是在队列尾部插入一个元素，pop() 就是从队列头部弹出一个元素，这样就实现了一个简单的事件队列。

【2】定义接收请求入口

每一个请求都会被拦截并进入处理函数，如下所示：

/** * 接收用户请求 * 每一个请求都会进入到该函数 * 传递参数request和response */ processHttpRequest:function(request,response){ //定义一个事件对象 var event = createEvent({ params:request.params, //传递请求参数 result:null, //存放请求结果 callback:function(){} //指定回调函数 }); //在队列的尾部添加该事件 eventQueue.unshift(event); }

这个函数很简单，就是把用户的请求包装成事件，放到队列里，然后继续接收其他请求。

【3】定义事件循环 ( Event Loop )

当主线程处于空闲时就开始循环事件队列，所以我们还要定义一个函数来循环事件队列：

/** * 事件循环主体，主线程择机执行 * 循环遍历事件队列 * 处理事件 * 执行回调，返回给上层 */ eventLoop:function(){ //如果队列不为空，就继续循环 while(this.eventQueue.length > 0){ //从队列的头部拿出一个事件 var event = this.eventQueue.pop(); //如果是IO任务 if(isIOTask(event)){ //从线程池里拿出一个线程 var thread = getThreadFromThreadPool(); //交给线程处理 thread.handleIOTask(event) }else { //非IO任务处理后，直接返回结果 var result = handleEvent(event); //最终通过回调函数返回给V8，再由V8返回给应用程序 event.callback.call(null,result); } } }

主线程不停的检测事件队列，对于IO任务就交给线程池来处理，非IO任务就自己处理并返回。

【4】处理I/O任务

线程池接到任务以后，直接处理IO操作，比如读取数据库：

/** * 处理IO任务 * 完成后将事件添加到队列尾部 * 释放线程 */ handleIOTask:function(event){ //当前线程 var curThread = this; //操作数据库 var optDatabase = function(params,callback){ var result = readDataFromDb(params); callback.call(null,result) }; //执行IO任务 optDatabase(event.params,function(result){ //返回结果存入事件对象中 event.result = result; //IO完成后，将不再是耗时任务 event.isIOTask = false; //将该事件重新添加到队列的尾部 this.eventQueue.unshift(event); //释放当前线程 releaseThread(curThread) }) }

当IO任务完成以后就执行回调，把请求结果存入事件中，并将该事件重新放入队列中，等待循环，最后释放当前线程，当主线程再次循环到该事件时，就直接处理了。

总结以上过程我们发现，Node.js只用了一个主线程来接收请求，但它接收请求以后并没有直接做处理，而是放到了事件队列中，然后又去接收其他请求了，空闲的时候，再通过Event Loop 来处理这些事件，从而实现了异步效果，当然对于IO类任务还需要依赖于系统层面的线程池来处理。因此，我们可以简单的理解为：Node.js本身是一个多线程平台，而它对JS层面的任务处理是单线程的。

4、Node.js的短板

至此，对于Node.js的单线程模型，我们应该有了一个简单而又清晰的认识，它通过事件驱动模型实现了高并发和异步I/O，然后也有Node.js不擅长做的事情：