Node.js 事件循環和線程池任務完整指南?

在 Node.js 的運行體系中，事件循環和線程池是保障其高效異步處理能力的核心組件。事件循環負責調度各類異步任務的執行順序，而線程池則承擔著處理 CPU 密集型及部分特定 I/O 任務的工作。接下來，我們將結合圖示，詳細剖析兩者的工作原理，并清晰界定不同操作場景下的處理歸屬。

1. 事件循環的六個階段詳解

事件循環是 Node.js 實現非阻塞 I/O 和異步編程的關鍵機制，它按照固定順序依次執行六個階段，周而復始地處理任務。下面通過流程圖展示事件循環的執行過程，并詳細說明每個階段的功能。
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1.1 定時器階段（Timers Phase）

處理內容：執行setTimeout和setInterval設定的回調函數。即使設置的延遲時間為 0，回調函數也不會立即執行，而是在當前調用棧清空后，此階段按創建順序依次執行。

示例代碼：

setTimeout(() => console.log('timer1'), 0);
setTimeout(() => console.log('timer2'), 0);
// 輸出順序：timer1, timer2

所屬處理：事件循環處理。

1.2 待定回調階段（Pending Callbacks Phase）

處理內容：執行上一輪循環中因某些原因被延遲到本輪的 I/O 回調，如系統級操作（TCP 錯誤等）的回調。在文件 I/O 操作中，若發生錯誤，其錯誤處理回調可能在此階段執行。

示例代碼：

const fs = require('fs');
fs.readFile('file.txt', (err, data) => {if (err) handleError(err);
});

所屬處理：事件循環處理。

1.3 空轉階段（Idle, Prepare Phase）

處理內容：僅供 Node.js 內部使用，主要用于準備開始輪詢新的 I/O 事件，開發者通常無需直接干預。

所屬處理：事件循環處理。

1.4 輪詢階段（Poll Phase）

處理內容：事件循環的核心階段之一。先計算應阻塞和輪詢 I/O 的時間，然后處理輪詢隊列中的事件。網絡 I/O 操作（如 HTTP 請求響應、TCP 連接數據接收）、大部分文件 I/O 操作的非阻塞部分等，都在此階段處理。

示例代碼：

const net = require('net');
const server = net.createServer((socket) => {socket.on('data', (data) => {processData(data);});
});

所屬處理：事件循環處理。

1.5 檢查階段（Check Phase）

處理內容：執行setImmediate設定的回調函數。setImmediate與setTimeout不同，它在當前事件循環的檢查階段執行，而setTimeout需等待定時器階段。

示例代碼：

setImmediate(() => console.log('immediate1'));
setImmediate(() => console.log('immediate2'));

所屬處理：事件循環處理。

1.6 關閉回調階段（Close Callbacks Phase）

處理內容：當連接或流關閉時，相關的關閉回調在此階段執行，例如 TCP 連接關閉、文件流關閉等的回調處理。

示例代碼：

const net = require('net');
const socket = net.connect(80, 'example.com', () => {socket.end();
});
socket.on('close', () => {console.log('連接已關閉');
});

所屬處理：事件循環處理。

2. 線程池詳細工作機制

Node.js 的線程池用于處理一些無法在事件循環中高效執行的任務，避免阻塞主線程。線程池的工作機制可以通過以下圖示和說明來理解。

請添加圖片描述

2.1 線程池大小控制

Node.js 線程池默認大小為 4，可通過process.env.UV_THREADPOOL_SIZE環境變量進行設置。線程池主要用于處理 CPU 密集型任務（如加密計算、數據壓縮）以及部分特定的 I/O 操作（如同步文件讀取）。

示例代碼：

process.env.UV_THREADPOOL_SIZE = '8';
const crypto = require('crypto');
const tasks = Array(8).fill(null).map(() => {return new Promise((resolve) => {crypto.pbkdf2('secret','salt', 100000, 512,'sha512', resolve);});
});
Promise.all(tasks).then(() => console.log('所有加密任務完成'));

所屬處理：線程池處理。

2.2 線程池任務優先級

雖然 Node.js 原生未提供嚴格的線程池任務優先級設置，但在實際應用中，可通過自定義邏輯實現類似功能。例如，在文件 I/O 操作中，對重要文件的讀取可優先安排執行。

示例代碼：

const fs = require('fs');
function readFileWithPriority(filePath, priority, callback) {// 這里可根據優先級實現任務調度邏輯fs.readFile(filePath, (err, data) => {if (err) return callback(err);console.log(`${priority === 1? '重要' : '普通'}文件已讀取`);callback(null, data);});
}
readFileWithPriority('important.txt', 1, (err, data) => {if (err) throw err;
});
readFileWithPriority('normal.txt', 0, (err, data) => {if (err) throw err;
});

所屬處理：線程池處理（涉及文件 I/O 的同步操作部分）。

3. 事件循環和線程池的交互

在實際的 Node.js 應用中，一個請求的處理往往需要事件循環和線程池協同工作，以下通過表格明確不同操作的處理歸屬，并結合代碼示例展示完整請求處理流程。


操作類型	典型場景	處理歸屬
網絡 I/O 操作	HTTP 請求響應、TCP 連接數據接收	事件循環
大部分文件 I/O 操作	異步文件讀取寫入	事件循環
CPU 密集型操作	加密計算、數據壓縮	線程池
部分特定文件 I/O 操作	同步文件讀取	線程池
定時器回調	setTimeout、setInterval	事件循環
setImmediate回調	立即執行的異步任務	事件循環
關閉回調	連接關閉、流關閉	事件循環

3.1 完整的請求處理流程

const express = require('express');
const app = express();
const fs = require('fs').promises;
const fetch = require('node-fetch');
// 模擬從API獲取數據，事件循環處理
async function fetchDataFromAPI() {const response = await fetch('https://example.com/api/data');return response.json();
}
// 模擬保存數據到數據庫，事件循環處理
async function saveToDatabase(data) {// 實際中可能是與數據庫交互的代碼console.log('數據已保存到數據庫');
}
app.get('/api/process-data', async (req, res) => {try {// 1. 網絡I/O - 事件循環處理const rawData = await fetchDataFromAPI();// 2. 文件I/O - 線程池處理（同步讀取config.json）const fileData = await fs.readFile('config.json');// 3. CPU密集型操作 - 線程池處理const processedData = await new Promise((resolve, reject) => {const worker = new Worker('./processor.js', {workerData: { raw: rawData, config: fileData }});worker.on('message', resolve);worker.on('error', reject);});// 4. 數據庫操作 - 事件循環處理await saveToDatabase(processedData);// 5. 響應返回 - 事件循環處理res.json({ success: true, data: processedData });} catch (error) {res.status(500).json({ error: error.message });}
});

3.2 性能監控和優化

為確保應用高效運行，需對事件循環和線程池進行性能監控和優化。

// 監控事件循環延遲
const interval = 100;
let lastCheck = Date.now();
setInterval(() => {const now = Date.now();const delay = now - lastCheck - interval;console.log(`事件循環延遲: ${delay}ms`);lastCheck = now;
}, interval);
// 監控線程池使用情況
const threadPoolStats = {active: 0,queued: 0,completed: 0
};
function updateStats(type) {if (type ==='start') threadPoolStats.active++;if (type === 'end') {threadPoolStats.active--;threadPoolStats.completed++;}if (type === 'queue') threadPoolStats.queued++;
}

4. 常見問題和解決方案

4.1 事件循環阻塞

同步操作會阻塞事件循環，導致應用無法及時處理其他異步任務。

問題代碼：

function blockingOperation() {const result = heavyComputation(); // 同步操作阻塞事件循環return result;
}

解決方案：

async function nonBlockingOperation() {return new Promise((resolve) => {const worker = new Worker('./heavy-computation.js');worker.on('message', resolve);});
}

4.2 內存泄漏

持續增長的數據存儲（如無限制緩存）會導致內存泄漏。

問題代碼：

const cache = new Map();
app.get('/api/data', (req, res) => {cache.set(Date.now(), req.body);
});

解決方案：

const LRU = require('lru-cache');
const cache = new LRU({max: 500,maxAge: 1000 * 60 * 60
});

4.3 錯誤處理

未捕獲的異常和未處理的 Promise 拒絕會導致應用不穩定。

process.on('uncaughtException', (err) => {console.error('未捕獲的異常:', err);process.exit(1);
});
process.on('unhandledRejection', (reason, promise) => {console.error('未處理的Promise拒絕:', reason);
});