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Node.js

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• 什么是Node.js
• Node.js架构
• Node.js 工作流程图
• Node.js 的特点
• Node.js 的缺点
• Node.js 的应用场景
• 安装 Node.js & NPM
• Node.js Demo
• SuperVisor
• 模块和包
• Node.js 包管理器(NPM)
• 模块加载机制

什么是 Node.js?

Node.js使用C++语言编写而成, 是一个后端的Javascript的运行环境, 同时还提供了很多系统级的API, 比如文件操作, 网络编程等, 支持的系统包括*nux, Windows.所以可以编写系统级或者服务器端的JavaScript代码, 交给Node.js来编译执行.

为什么采用C++语言呢?

据Node.js创始人Ryan Dahl回忆, 他最初希望采用Ruby来写Node.js, 但是后来发现Ruby虚拟机的性能不能满足他的要求, 后来尝试采用V8引擎, 所以选择了C++语言.

V8引擎

认识V8引擎

V8是由Google开发并开源的JavaScript引擎, 用于Google Chrome中.

V8在运行之前将JavaScript编译成机器码而非字节码或是解释执行它, 以提升性能. 更进一步, 使用了如内联缓存 (inline caching) 等方法来提高性能. 有了这些性能, JavaScript程序与V8引擎的速度媲美二进制编译.

JavaScript引擎

JavaScript引擎是一个专门处理JavaScript脚本的虚拟机, 一般会附带在浏览器中.

JavaScript引擎能为程序员提供部分操作浏览器的功能 (网络, DOM, 外部事件, HTML5视频, Canvas和存储).

其他JavaScript引擎:

SpiderMonkey, 第一款问世的JavaScript引擎, 现由Mozilla基金会维护, 用于FireFox.

JavaScriptCore, 开放源代码, 用于Safari.

Chakra, 用于Microsoft Edge.

Node.js 架构

其他 C/C++ 组件和库：如 c-ares、crypto (OpenSSL)、http-parser 以及 zlib。这些依赖提供了对系统底层功能的访问，包括网络、压缩、加密等。

应用/模块（Application/Modules）：这部分就是所有的 JavaScript 代码：你的应用程序、Node.js 核心模块、任何 npm install 的模块，以及你写的所有模块代码。你花费的主要精力都在这部分。

绑定（Bindings）：Node.js 用了这么多 C/C++ 的代码和库，简单来说，它们性能很好。不过，JavaScript 代码最后是怎么跟这些 C/C++ 代码互相调用的呢？这不是三种不同的语言吗？确实如此，而且通常不同语言写出来的代码也不能互相沟通，没有 binding 就不行。Binding 是一些胶水代码，能够把不同语言绑定在一起使其能够互相沟通。在 Node.js 中，binding 所做的就是把 Node.js 那些用 C/C++ 写的库接口暴露给 JS 环境。这么做的目的之一是代码重用：这些功能已经有现存的成熟实现，没必要只是因为换个语言环境就重写一遍，如果桥接调用一下就足够的话。另一个原因是性能：C/C++ 这样的系统编程语言通常都比其他高阶语言（Python、JavaScript、Ruby 等等）性能更高，所以把主要消耗 CPU 的操作以 C/C++ 代码来执行更加明智。

C/C++ Addons：Binding 仅桥接 Node.js 核心库的一些依赖，zlib、OpenSSL、c-ares、http-parser 等。如果你想在应用程序中包含其他第三方或者你自己的 C/C++ 库的话，需要自己完成这部分胶水代码。你写的这部分胶水代码就称为 Addon。可以把 Binding 和 Addon 视为连接 JavaScript 代码和 C/C++ 代码的桥梁

Node.js 工作流程图

一个 Node.js 应用启动时，V8 引擎会执行你写的应用代码，保持一份观察者（注册在事件上的处理函数）列表。当事件发生时，它的处理函数会被加进一个事件队列。只要这个队列还有等待执行的事件，事件循环就会持续把事件从队列中拿出，放进调用堆栈。需要注意的是，只有当前一个事件处理完毕（调用堆栈也已经清空），事件循环才会把下一个事件放进调用堆栈。

在调用堆栈中，所有的 I/O 请求都会转发给 libuv 处理。libuv 会维持一个线程池，包含四个工作线程（这是默认数量，也可以修改配置增加更多工作线程）。文件系统 I/O 请求和 DNS 相关请求都会放进这个线程池处理；其他的请求，如网络、平台特性相关的请求会分发给相应的系统处理单元（参见 libuv 设计概览）。

安排给线程池的这些 I/O 操作由 Node.js 的底层库执行，完成之后 libuv 把此事件放回事件队列，等待主线程执行后续操作。在 libuv 处理这些异步 I/O 操作期间，主线程不会等待处理结果，而是继续忙其他事情，只有当事件循环把 libuv 返回的事件放进调用堆栈之后，主线程才会继续处理这个事件的后续操作。这就是一个事件在 Node.js 中执行的整个生命周期。

Node.js 的特点

• 异步编程
• 事件驱动
• 单进程, 单线程模式运行
• 轻量, 高效

高效:

Node.js的作者除了使用V8作为JavaScript引擎之外, 还是用了高效的libev和libeio库支持事件驱动和异步式I/O

Node.js的开发者在libev和libeio的基础上还抽象除了libuv层, 对于POSIX操作系统, libuv 通过封装libev和libeio来利用epoll和kqueue. 而在Windows下, libuv使用了Windows的IOCP (Input/Output Completion Port, 输入输出完成接口)机制, 以在不同的平台下实现同样的高性能.

POSIX (Portable Operating System Interface) 是一套操作系统API规范, 一般而言, 遵守POSIX规范的操作系统指的是UNIX, Linux, Mac OS X等.

Node.js 的缺点

• 不适合CPU密集型应用
• 只支持单核CPU, 不能充分利用多核CPU
• 可靠性低, 一旦代码某个环节崩溃, 整个系统都会崩溃
• 开源组件库质量参差不齐, 更新快, 不向下兼容

NOTE:

Just because Node is designed without threads, doesn’t mean you cannot take advantage of multiple cores in your environment. Child processes can be spawned by using our child_process.fork() API, and are designed to be easy to communicate with. Built upon that same interface is the cluster module, which allows you to share sockets between processes to enable load balancing over your cores.

Node.js 的应用场景

• RESTful API
• 单页面, 多Ajax请求应用
• 命令行工具
• 流式数据 (比如实时文件上传系统)
• 准实时应用系统 (比如聊天系统, 微博系统)

安装 Node.js & NPM

Windows下安装Node.js步骤:

• 下载Node.js安装包

• 运行安装文件.

• 根据安装向导安装Node.js

• 安装完成后, 打开命令行工具运行命令来检查是否安装成功.

  node -v
  

  npm -v
  

Demo

• Hello World
• HTTP 服务器
• 读取文件
• EventEmitter

Node.js 命令行工具

node script.js

node --help

Node的REPL模式

REPL (Read-eval-print loop), 即输入-运算执行-输出-循环

SuperVisor

在开发Node.js HTTP Server 时, 无论你修改了代码的哪一部分, 都必须终止Node.js, 在重新运行才会奏效.

这是因为Node.js 只有在第一次引用到某部分时才会去解析脚本文件, 以后都会直接访问内存, 避免重新载入.

Node.js的这种设计虽然有利于提高性能, 但是不利于开发调试. 因为我们在开发过程中总是希望修改后, 立即看到效果, 而不是每次都终止进程并重启.

SuperVisor可以帮你实现这个功能, 它会监视代码的改动, 并自动重启Node.js.

可以通过下面的命令安装SuperVisor

npm install supervisor -g

然后使用supervisor命令启动app.js

supervisor app.js

模块和包

模块(Module)和包(package)是Node.js最重要的支柱. 开发一个具有一定规模的程序不可能只用一个文件, 通常需要把各个功能拆分, 封装, 然后组合起来, 模块正是为了实现这种方式而诞生的.

Node.js 提供了 require 函数来调用其他模块, 而且模块都是基于文件的, 机制十分简单.

• 什么是模块

模块是 Node.js 应用程序的基本组成部分，文件和模块是一一对应的。换言之，一个Node.js 文件就是一个模块,这个文件可能是 JavaScript 代码、JSON 或者编译过的 C/C++ 扩展。 在前面的例子中，我们曾经用到了 var http = require(‘http’)，其中 http 是 Node.js 的一个核心模块，其内部是用 C++ 实现的，外部用 JavaScript 封装。我们通过 require 函数获取了这个模块，然后才能使用其中的对象。

• 创建及加载模块

  • 创建模块

    在 Node.js 中，创建一个模块非常简单，因为一个文件就是一个模块，我们要关注的问 题仅仅在于如何在其他文件中获取这个模块。Node.js 提供了 exports 和 require 两个对 象，其中 exports 是模块公开的接口，require 用于从外部获取一个模块的接口，即所获 取模块的 exports 对象。

    demo

    mymodule.js

    
    var name;
    
    exports.setName=(theName)=>{
        name=theName;
    }
    
    exports.sayHello=()=>{
        console.log(`Hello ${name}`)
    }
    

    mymoduledemo.js

    var myModule=require('./mymodule');
    myModule.setName('Ken');
    myModule.sayHello();
    

    NOTE 在这个示例中, mymodule.js 通过exports对象把setName和sayHello作为模块的访问接口.

    在mymoduledemo.js 中, 通过require(‘./mymodule’) 来加载模块, 然后就可以访问mymodule.js 中exports 对象的成员函数了.

  • 单次加载

    上面的例子中有点类似创建一个对象, 但实际上和对象又有本质的区别. 因为require不会重复加载模块, 也就是说无论调用多少次require, 获得的模块都是同一个.

    demo, 然后检查运算结果.

    var myModule=require('./mymodule');
    myModule.setName('Ken');
    
    var myModule2=require('./mymodule');
    myModule.setName('Ben');
    
    myModule.sayHello();
    myModule2.sayHello();
    

• 覆盖exports

  通过exports.xxx=xxx 来覆盖exports, 然后new 来实例化不同的对象.

  NOTE:

  事实上，exports 本身仅仅是一个普通的空对象，即 {}，它专门用来声明接口，本 质上是通过它为模块闭包①的内部建立了一个有限的访问接口。因为它没有任何特殊的地方， 所以可以用其他东西来代替

  Warning:

  不可以通过对 exports 直接赋值代替对 module.exports 赋值。 exports 实际上只是一个和 module.exports 指向同一个对象的变量， 它本身会在模块执行结束后释放，但 module 不会，因此只能通过指定 module.exports 来改变访问接口

• 创建包

  包是在模块基础上更深一步的抽象，Node.js 的包类似于 C/C++ 的函数库或者 Java/.Net 的类库。它将某个独立的功能封装起来，用于发布、更新、依赖管理和版本控制。Node.js 根 据 CommonJS 规范实现了包机制，开发了 npm来解决包的发布和获取需求。 Node.js 的包是一个目录，其中包含一个 JSON 格式的包说明文件 package.json。严格符 合 CommonJS 规范的包应该具备以下特征：

  • package.json必须在包的顶层目录下;
  • 二进制文件应该在 bin 目录下;
  • JavaScript 代码应该在 lib 目录下;
  • 文档应该在 doc 目录下;
  • 单元测试应该在 test 目录下;

  Node.js 对包的要求并没有这么严格，只要顶层目录下有 package.json，并符合一些规范 即可。当然为了提高兼容性，我们还是建议你在制作包的时候，严格遵守 CommonJS 规范。

  我们使用这种方法可以把文件夹封装为一个模块，即所谓的包。包通常是一些模块的集 合，在模块的基础上提供了更高层的抽象，相当于提供了一些固定接口的函数库。通过定制 package.json，我们可以创建更复杂、更完善、更符合规范的包用于发布.

  NOTE:

  通过执行下面的命令可以轻松创建package.json

  npm init
  

Node.js 包管理器(NPM)

Node.js包管理器，即npm是 Node.js 官方提供的包管理工具，它已经成了 Node.js 包的 标准发布平台，用于 Node.js 包的发布、传播、依赖控制。npm 提供了命令行工具，使你可 以方便地下载、安装、升级、删除包，也可以让你作为开发者发布并维护包。

本地模式和全局模式

npm在默认情况下会从http://npmjs.org搜索或下载包，将包安装到当前目录的node_modules 子目录下。

在使用 npm 安装包的时候，有两种模式：本地模式和全局模式。默认情况下我们使用 npm install命令就是采用本地模式，即把包安装到当前目录的 node_modules 子目录下。Node.js 的 require 在加载模块时会尝试搜寻 node_modules 子目录，因此使用 npm 本地模式安装 的包可以直接被引用。 npm 还有另一种不同的安装模式被成为全局模式，使用方法为： npm [install/i] -g [package_name] 与本地模式的不同之处就在于多了一个参数 -g。我们在 介绍 supervisor那个小节中使用 了 npm install -g supervisor 命令，就是以全局模式安装 supervisor。 为什么要使用全局模式呢？多数时候并不是因为许多程序都有可能用到它，为了减少多 重副本而使用全局模式，而是因为本地模式不会注册 PATH 环境变量。举例说明，我们安装 supervisor 是为了在命令行中运行它，譬如直接运行 supervisor script.js，这时就需要在 PATH 环境变量中注册 supervisor。npm 本地模式仅仅是把包安装到 node_modules 子目录下，其中 的 bin 目录没有包含在 PATH 环境变量中，不能直接在命令行中调用。而当我们使用全局模 式安装时，npm 会将包安装到系统目录，譬如 /usr/local/lib/node_modules/，同时 package.json 文 件中 bin 字段包含的文件会被链接到 /usr/local/bin/。/usr/local/bin/ 是在PATH 环境变量中默认 定义的，因此就可以直接在命令行中运行 supervisor script.js命令了。

总而言之，当我们要把某个包作为工程运行时的一部分时，通过本地模式获取，如果要 在命令行下使用，则使用全局模式安装。

发布包

在发布前，我们还需要获得一个账号用于今后维护自己的包，使用 npm adduser 根据 提示输入用户名、密码、邮箱，等待账号创建完成。完成后可以使用 npm whoami 测验是 否已经取得了账号。

接下来，在 package.json 所在目录下运行 npm publish，稍等片刻就可以完成发布了。 打开浏览器，访问 https://www.npmjs.com/~{username} 就可以找到自己刚刚发布的包了。现在我们可以在 世界的任意一台计算机上使用 npm install byvoidmodule 命令来安装它。

如果你的包将来有更新，只需要在 package.json 文件中修改 version 字段，然后重新 使用 npm publish 命令就行了。如果你对已发布的包不满意（比如我们发布的这个毫无意 义的包），可以使用 npm unpublish 命令来取消发布。

模块加载机制

Node.js的模块加载对用户来说十分简单, 只需要调用require即可, 但是内部机制呢?

模块的类型:

• 原生(核心)模块
• 文件模块

原生模块在Node.js源代码编译的时候编译进了二进制执行文件, 加载的速度最快.

文件模块是动态加载的, 加载速度比原生模块慢.

但是Node.js对原生模块和文件模块都进行了缓存, 于是在第二次require时, 是不会有重复开销的.

一般情况下是不会重复, 但是一些情况下还是会重复. 具体可以看 Node.js中相同模块是否会被加载多次？

模块缓存的注意事项

模块是基于其解析的文件名进行缓存的。由于调用模块的位置的不同，模块可能被解析成不同的文件名（比如从 node_modules 目录加载），这样就不能保证 require('foo') 总能返回完全相同的对象。

此外，在不区分大小写的文件系统或操作系统中，被解析成不同的文件名可以指向同一文件，但缓存仍然会将它们视为不同的模块，并多次重新加载。例如，require('./foo') 和 require('./FOO') 返回两个不同的对象，而不会管 ./foo 和 ./FOO 是否是相同的文件。

强烈建议将所有的依赖放在本地的 node_modules 目录。这样将会更快地加载，且更可靠

原生模块

原生模块就是Node.js标准API中提供的模块, 如 fs, http, net , vm 等, 这些都是由Node.js官方提供的模块, 编译成了二进制代码.

我们可以直接通过require获取原生模块, 例如 require(‘fs’)

原生模块拥有最高的加载优先级, 换言之如果有模块与其命名冲突, Node.js总是会加载原生模块.

文件模块

文件模块这是存储为单独的文件或文件夹的模块, 可能是Javascript代码, JSON 或编译好的C/C++代码.

文件模块的加载方法相对复杂(按路径加载和查找node_modules文件夹), 但十分灵活, 尤其和npm结合使用时.

在不显示指定文件模块扩展名的时候, Node.js会分别试图加上.js, .json 或 .node扩展名

.js 是 Javascript代码, 通过fs模块同步读取js文件并编译执行.

.json 是JSON格式的文本, 读取文件, 调用JSON.parse解析加载.

.node是编译好的C/C++代码, 通过C/C++进行编写的Addon. 通过dlopen方法进行加载.

按路径加载模块

如果require参数以 ‘’/’ 开头, 表明以绝对路径的方式查找模块.

如果require参数以 ‘’./” 或 “../” 开头, 那么则以相对路径的方式查找模块.

查找 node_modules 目录加载模块

如果require参数不以 “/”, “./”, “../” 开头, 而该模块又不是核心模块, 那么就需要查找 node_modules 加载模块.

我们使用npm获取的包通常就是使用这种方式加载的.

当 require 遇到一个既不是核心模块，又不是以路径形式表示的模块名称时，会试图 在当前目录下的 node_modules 目录中来查找是不是有这样一个模块。如果没有找到，则会 在当前目录的上一层中的 node_modules 目录中继续查找，反复执行这一过程，直到遇到根 目录为止.

加载缓存

我们在前面提到过，Node.js 模块不会被重复加载，这是因为 Node.js 通过文件名缓存所 有加载过的文件模块，所以以后再访问到时就不会重新加载了。注意，Node.js 是根据实际文 件名缓存的， 而不是 require() 提供的参数缓存的， 也就是说即使你分别通过 require(‘express’) 和 require(‘./node_modules/express’) 加载两次，也不会重 复加载，因为尽管两次参数不同，解析到的文件却是同一个。

加载顺序

下面总结一下使用 require(some_module) 时的加载顺序。 (1) 如果some_module 是一个核心模块，直接加载，结束。 (2) 如果some_module以“ / ”、“ ./ ”或“ ../ ”开头，按路径加载 some_module，结束。 (3) 假设当前目录为 current_dir，按路径加载 current_dir/node_modules/some_module。 ​ .如果加载成功，结束。 ​ .如果加载失败，令current_dir为其父目录。 ​ .重复这一过程，直到遇到根目录，抛出异常，结束

Note:

浅析NodeJS模块加载机制

深入Node.js的模块机制

模块包装器

在执行模块代码之前，Node.js 会使用一个如下的函数包装器将其包装：

(function(exports, require, module, __filename, __dirname) {
// 模块的代码实际上在这里
});

通过这样做，Node.js 实现了以下几点：

• 它保持了顶层的变量（用 var、const 或 let 定义）作用在模块范围内，而不是全局对象。
• 它有助于提供一些看似全局的但实际上是模块特定的变量，例如：
  • 实现者可以使用 module 和 exports 对象从模块中导出值。
  • 快捷变量 __filename 和 __dirname 包含模块的绝对文件名和目录路径。