為什么向后端工程師推薦Node.js

科普文一則，說說我對Node.js的一些認識，以及我作為前端工程師為什么會向后端工程師推薦Node.js。
“Node.js 是服務(wù)器端的 JavaScript 運行環(huán)境，它具有無阻塞(non-blocking)和事件驅(qū)動(event-driven)等的特色，Node.js 采用V8引擎，同樣，Node.js實現(xiàn)了類似 Apache 和 nginx 的web服務(wù)，讓你可以通過它來搭建基于 JavaScript的Web App。”
我想不僅僅是Node.js，當我們要引入任何一種新技術(shù)前都必須要搞清楚幾個問題:
1. 我們遇到了什么問題？
2. 這項新技術(shù)解決什么問題，是否契合我們遇到的問題？
3. 我們遇到問題的多種解決方案中，當前這項新技術(shù)的優(yōu)勢體現(xiàn)在哪兒？
4. 使用新技術(shù)，帶來哪些新問題，嚴重么，我們能否解決掉？
我們的問題：Server端阻塞
Node.js被設(shè)計用來解決服務(wù)端阻塞問題.下面通過一段簡單的代碼解釋何為阻塞：

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//根據(jù)ID，在數(shù)據(jù)庫中Persons表中查出Name var name = db.query("select name from persons where id=1"); //進程等待數(shù)據(jù)查詢完畢，然后使用查詢結(jié)果。 output("name")

這段代碼的問題是在上面兩個語句之間，在整個數(shù)據(jù)查詢的過程中，當前程序進程往往只是在等待結(jié)果的返回.這就造成了進程的阻塞.對于高并發(fā)，I/O 密集行的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，一方面進程很長時間處于等待狀態(tài)，另一方面為了應(yīng)付新的請求不斷的增加新的進程.這樣的浪費會導(dǎo)致系統(tǒng)支持QPS遠遠小于后端數(shù)據(jù)服 務(wù)能夠支撐的QPS，成為了系統(tǒng)的瓶頸.而且這樣的系統(tǒng)也特別容易被慢鏈接攻擊(客戶端故意不接收或減緩接收數(shù)據(jù)，加長進程等待時間)。
如何解決阻塞問題
可以引入事件處理機制解決這個問題。在查詢請求發(fā)起之前注冊數(shù)據(jù)加載事件的響應(yīng)函數(shù)，請求發(fā)出之后立即將進程交出，而當數(shù)據(jù)返回后再觸發(fā)這個事件并在預(yù)定好的事件響應(yīng)函數(shù)中繼續(xù)處理數(shù)據(jù)：

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//定義如何后續(xù)數(shù)據(jù)處理函數(shù) function onDataLoad(name){    output("name"); } //發(fā)起數(shù)據(jù)請求，同時指定數(shù)據(jù)返回后的回調(diào)函數(shù) db.query("select name from persons where id=1",onDataLoad);

我們看到若按照這個思路解決阻塞問題，首先我們要提供一套高效的異步事件調(diào)度機制.而主要用于處理瀏覽器端的各種交互事件的JavaScript。相對于其他語言，至少有兩個關(guān)鍵點特別適合完成這個任務(wù)。
為什么JS適合解決阻塞問題
首先JavaScript是一種函數(shù)式編程語言，函數(shù)編程語言最重要的數(shù)學基礎(chǔ)是λ演算(lambda calculus) — 即函數(shù)對象可以作為其他函數(shù)對象的輸入(參數(shù))和輸出(返回值)。
這個特性使得為事件指定回調(diào)函數(shù)變得很容易。特別是JavaScript還支持匿名函數(shù)。通過匿名函數(shù)的輔助，之前的代碼可以進行簡寫如下：

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db.query("select name from persons where id=1",function(name){     output(name); });

還有另一個關(guān)鍵問題是，異步回調(diào)的運行上下文保持(本文暫稱其為”狀態(tài)保持”)。我們先來看一段代碼來說明何為狀態(tài)保持：

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//傳統(tǒng)同步寫法：將查詢和結(jié)果打印抽象為一個方法 function main(){     var id = "1";     var name = db.query("select name from persons where id=" + id);     output("person id:" + id + ", name:" + name); } main();

前面的寫法在傳統(tǒng)的阻塞是編程中非常常見，但接下來進行異步改寫時會遇到一些困擾：

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//異步寫法： function main(){     var id = "1";     db.query("select name from persons where id=" + id,function(name){         output("person id:" + id + ", name:" + name);//n秒后數(shù)據(jù)返回后執(zhí)行回調(diào)     }); } main();

細心的朋友可能已經(jīng)注意到，當?shù)却薾秒數(shù)據(jù)查詢結(jié)果返回后執(zhí)行回調(diào)時?；卣{(diào)函數(shù)中卻仍然使用了main函數(shù)的局部變量”id”，而”id”似乎應(yīng) 該在n秒前走出其作用域。為什么此時”id”仍然可以訪問呢，這是因為JavaScript的另外一個重要語言特性：閉包(Closures)。接下來我 來詳解閉包的原委。
在復(fù)雜的應(yīng)用中，我們一定會遇到這類場景。即在函數(shù)運行時需要訪問函數(shù)定義時的上下文數(shù)據(jù)(注意：一定要區(qū)分函數(shù)定義時和函數(shù)運行時兩個不同的時 刻)。特別是在異步編程模型中，函數(shù)的定義和運行又分處不同的時間段，那么保持上下文的問題變得更加突出了。因為我們在任務(wù)執(zhí)行一半時把資源交出去沒有問 題，但當任務(wù)需要再次繼續(xù)時我們必須還原現(xiàn)場。
在這個例子中，db.query作為一個公共的數(shù)據(jù)庫查詢方法，把”id”這個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳入給db.query，交由其保存是不太合適的。但我們可 以稍作抽象，讓db.query再支持一個需要保持狀態(tài)的數(shù)據(jù)對象傳入，當數(shù)據(jù)查詢完畢后可以把這些狀態(tài)數(shù)據(jù)原封不動的回傳。如下：

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function main(){     var id = "1";     var currentState = new Object();     currentState.person_id = id;     db.query("select name from persons where id=" + id, function(name,state){         output("person id:" + state.person_id + ", name:" + name);     },currentState);//注意currentState是db.query的第三個參數(shù) } main();

記住這種重要的思路，我們再看看是否還能進一步的抽象？可以的，不過接下的動作之前，我們還要了解在JavaScript中一個函數(shù)也是一個對象。 一個函數(shù)實例fn除了函數(shù)體的定義之外，我們?nèi)匀豢梢栽谶@個函數(shù)對象實例之本身擴展其他屬性，如fn.a=1;受到這個啟發(fā)我們嘗試把需要保持的狀態(tài)直接 綁定到函數(shù)實例上：

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function main(){     var id = "1";     var currentState = new Object();     currentState.person_id = id;     function onDataLoad(name){         output("person id:" + onDataLoad.state.person_id + ", name:" + name);     }     onDataLoad.state = currentState ;//為函數(shù)指定state屬性，用于保持狀態(tài)     db.query("select name from persons where id=" + id, onDataLoad); }

我們做了什么？生成了currentState對象，然后在函數(shù)onDataLoad定義時，將currentState綁定給 onDataLoad這個函數(shù)實例。那么在onDataLoad運行時，就可以拿到定義時的state對象了。JavaScript的閉包特性就是內(nèi)置了 這個過程而已。
在每個JavaScript函數(shù)運行時，都有一個運行時內(nèi)部對象稱為Execution Context，它包含如下Variable Object(VO,變量對象)， Scope Chain(作用域鏈)和”this” Value三部分。如圖:
 

其中變量對象VO，包含了所有局部變量的引用。對于main函數(shù)，局部變量”id”存儲在VO.id內(nèi)?？雌饋碛肰O來代替我們的 currentSate最合適了。但main函數(shù)還可能嵌套在其他函數(shù)之內(nèi)，所以我們需要ScopeChain，它是一個包含當前運行函數(shù)VO和其所有父 函數(shù)scope的數(shù)組。
所以在這個例子中，在onDataLoad函數(shù)定義時，就為默認為其綁定了一個[[scope]]屬性指向其父函數(shù)的 ExecutionContext的ScopeChain。而當函數(shù)onDataLoad執(zhí)行時，就可以通過[[scope]]屬性來訪問父函數(shù)的VO對 象來找到id，如果父函數(shù)的VO中沒有id這個屬性，就再繼續(xù)向上查找其祖先的VO對象，直到找到id這個屬性或到達最外層返回undefined。也正 是因為這個引用，造成VO的引用計數(shù)不為0，在走出作用域時，才不會被垃圾回收。
很多朋友覺得閉包較難理解，其實我們只要能明確的區(qū)分函數(shù)定義和函數(shù)運行兩個時機，那么閉包就是讓函數(shù)在運行時能夠訪問到函數(shù)定義時的所處作用域內(nèi)的所有變量，或者說函數(shù)定義時能訪問到什么變量，那么在函數(shù)運行時通過相同的變量名一樣能訪問到。
關(guān)于狀態(tài)保持是本文的重點，在我看到的多數(shù)Node.js的介紹文章中并沒有詳解這里，我們只是知道了要解決阻塞問題，但是JavaScript解決阻塞問題的優(yōu)勢到底在哪里，作為一名前端工程師，我想有必要花一些篇幅詳細解釋一下。
而之所以我叫它”狀態(tài)保持”因為還有一個非常相似的場景可以類比：
用戶從A頁面提交表單到B頁面，如果提交數(shù)據(jù)校驗不通過，則需要返回A頁面，同時保持用戶在A頁面填寫的內(nèi)容并提示用戶修改不對的地方。從提交到校驗出錯再返回繼續(xù)填寫是一個包含網(wǎng)絡(luò)交互的異步過程，這相當于填寫表單這個任務(wù)過會兒再繼續(xù)。
在傳統(tǒng)網(wǎng)頁開發(fā)中，用戶的狀態(tài)通過請求傳遞到服務(wù)端，交由后端狀態(tài)保持(類似交給db.query的currentSate)。而使用Ajax的網(wǎng) 頁，因為并未離開原頁面，那么服務(wù)端只要負責校驗用戶提交的數(shù)據(jù)是否正確即可，發(fā)送錯誤，返回錯誤處相關(guān)信息即可，這就是所謂前端狀態(tài)保持?？梢钥吹竭@個 場景里邊服務(wù)端做的事情變少了，變純粹了。正如我們的例子中db.query不再存儲轉(zhuǎn)發(fā)第三個state參數(shù)，變得更在輕量。
我們看到通過JavaScript函數(shù)式語言特性，匿名函數(shù)支持和閉包很漂亮的解決了同步編程到異步編程轉(zhuǎn)化過程中遇到的一系列最重要的問題。但JavaScript是否就是最好的？這就要回答我們引用新技術(shù)時需要考慮的最后一個問題了。
使用Node.js是否帶來額外的困擾，如何解決？
Node.js性能真的是最好么？不用比較我們也可以得到結(jié)論，Node.js做無阻塞編程性能較難做到極致。何為極致？處理一個請求需要占用多少 內(nèi)存，多少cpu資源，多少帶寬，有丁點浪費就不是極致。阻塞式編程浪費了大量進程資源只是在等待，導(dǎo)致大量內(nèi)存和cpu的浪費。在這方面Node.js 好很多，但也正是因為一些閉包等JavaScript內(nèi)建機制也會導(dǎo)致資源的浪費，看下面的代碼：

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function main(){     var id = "1";     var str = "..."; //這里局部變量str存儲一個2M的字符串     db.query("select name from persons where id=" + id,function(name){         output("person id:" + id + ", name:" + name);//n秒后數(shù)據(jù)返回后執(zhí)行回調(diào)     }); } main();

至少整個數(shù)據(jù)查詢過程中，變量str所使用的2M內(nèi)存并不會被釋放，而str保持下去可能并沒有意義。前面已經(jīng)解釋過閉包的原理，閉包并沒有智能到只包起來今后可能被訪問到的對象。即使不了解閉包的原理，也可以通過一段簡單腳本驗證這點：

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function main(){     var id = "1";     var str = "..."; //這里存儲一個2M的字符串     window.setTimeout(function(){         debugger; //我們在這里設(shè)置斷點     },10000) } main();

我們在回調(diào)函數(shù)當中只設(shè)置一個斷點，并不指明我們要訪問哪個變量。然后我們在控制臺監(jiān)視一下，id和str都是可以拿到的。
所以我來猜想一下，性能極端苛刻的場景，無阻塞是未來，但無阻塞發(fā)展下去，或者有更輕量的腳本引擎產(chǎn)生，或者JavaScript引擎可能要調(diào)整可以disable閉包，或者我們要通過給JS開發(fā)靜態(tài)編譯器在代碼發(fā)布前自動優(yōu)化我們的代碼。
靜態(tài)編譯是如今JavaScript技術(shù)領(lǐng)域的又一個熱點，我們都知道JavaScript是解釋型腳本語言，在運行時自動編譯。但是運行時編譯只是將代碼轉(zhuǎn)為機器碼執(zhí)行，卻并未覆蓋傳統(tǒng)編譯型語言在編譯階段所做的任務(wù)。比如，語法檢查，接口校驗，全局性能優(yōu)化等等。
最常見的JavaScript靜態(tài)編譯就是腳本壓縮工具，在代碼發(fā)布到線上之前，我們通過各種壓縮工具，將代碼壓縮，達到減少網(wǎng)絡(luò)傳輸量的問題。而 在這個時間點，已經(jīng)有越來越多的事情可做，比如：Google利用ClouserComplier提供的系列編譯指令，讓JavaScript更好的實現(xiàn) OO編程。也有GWT，CoffeeScript這樣的項目，將其他語言編譯為JavaScript。在淘寶我們在代碼靜態(tài)編譯階段來解決因 JavaScript細粒度模塊化改造引入各種性能問題，也用來對第三方提供JavaScript代碼進行一定的安全檢查。
我們期待前面的代碼經(jīng)過靜態(tài)編譯器編譯后變成如下結(jié)果：

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function main(){     var id = "1";     var str = "..."; //這里局部變量str存儲一個2M的字符串     db.query("select name from persons where id=" + id,function(name){         output("person id:" + id + ", name:" + name);     });     str = ""; //通過這一行，及時釋放不必要的內(nèi)存占用。 } main();

除了性能方面的擔憂，使用Node.js進行編程增加了代碼編寫的復(fù)雜度。因為我們習慣于阻塞式編程的寫法，切換到異步模式編程，往往對于太多多層次的callback函數(shù)嵌套弄得不知所措。老趙最近開發(fā)了項目JSCEX正是要解決這個問題，它讓大家在遵守一些小的約定后，能夠仍然保持同步編程的寫法進行代碼開發(fā)。寫完的代碼同樣通過靜態(tài)編譯器編譯成異步回調(diào)式模式的代碼再交給JavaScript引擎執(zhí)行。
Node.js還要解決什么問題
說了這么多，無阻塞編程要做的還遠不止這些。首先需要一個高效的JS引擎，高效的事件池和線程池。另外幾乎所有和Node.js交互的傳統(tǒng)模塊如文件系統(tǒng)，數(shù)據(jù)訪問，HTTP解析，DNS解析都是阻塞式的，都需要額外改造。
Node.js作者極其團隊，正是認清問題所在以及JS解決這些問題方面的優(yōu)勢?；贕oogle開源的高效JavaScript引擎V8，貢獻了大量的智慧和精力解決上述大部分問題后才有Node.js橫空出世。
當前Node社區(qū)如此火熱，千余開源的Node.js模塊，活躍在WebFramework，WebSocket，RPC，模板引擎，數(shù)據(jù)抓取服務(wù)，圖形圖像幾乎所有工程領(lǐng)域。
后記
本文主要的信息來自Node.js作者在JSConf09，JSConf10上的分享。 而作為前端開發(fā)，著重講了函數(shù)式編程，閉包對于無阻塞開發(fā)的重要意義。我期待這篇文章能夠給前端和后端工程師都帶來收獲。
同樣作為前端開發(fā)，不得不再插幾句，說說服務(wù)端JS能夠解決的另一個問題：當前的Web開發(fā)前后端使用不同的語言，很多相同的業(yè)務(wù)邏輯要前后端分別 用不同語言重復(fù)實現(xiàn)。比如越來越多重度依賴JavaScript的胖客戶端應(yīng)用，當客戶瀏覽器禁用JavaScript時，則需要使用服務(wù)端語言將主業(yè)務(wù) 流程再實現(xiàn)一次，這即是前端常說的”漸進增強”。
當我們擁有了服務(wù)端JavaScript語言，我們自然就會想到能否利用Node.js做到”一次開發(fā)，漸進增強”。解決掉這個為小量用戶，浪費大量時間的惱人的問題。這方面的實踐，YAHOO仍然是先驅(qū)，早在一年多前開始YAHOO通過nodejs-yui3項目做了很多卓越的貢獻，而淘寶自主開發(fā)的前端框架Kissy也有服務(wù)端運行的相關(guān)嘗試。
JavaScript在誕生之時就不僅僅是瀏覽器端工具，如今JavaScript能夠再一次回到服務(wù)端展示拳腳，感謝V8，感謝NodeJS作者，團隊和社區(qū)的諸多貢獻者，祝Node好運，JavaScript好運。