1.2 Node的内部机制
本节的内容会涉及一些操作系统的概念，在开始之前，这里有一些前提，记住这些前提会能让你更好地理解本节的内容：
- 在任务完成之前，CPU在任何情况下都不会暂停或者停止执行，CPU如何执行和同步或是异步、阻塞或者非阻塞都没有必然关系。
- 操作系统始终保证CPU处在运行状态，这是通过系统调度来实现的，具体一点就是通过在不同进程/线程间切换实现的。
1.2.1 何为回调
1．回调的定义
一个回调是指通过函数参数的参数传递到其他代码的，某段可执行代码的引用。
说得通俗一点，就是将一个函数作为参数传递给另一个函数，并且作为参数的函数可以被执行，其本质上是一个高阶函数。在数学和计算机科学中，高阶函数是至少满足下列一个条件的函数：
- 接受一个或多个函数作为输入。
- 输出一个函数。
JavaScript中一个很常见的例子就是map方法，该方法接受一个函数作为参数，依次作用于的数组的每一个元素。
可以用如图1-1所示来描述回调的过程。
图1-1
回调方法和主线程处于同一层级，假设主线程发起了一个底层的系统调用，那么操作系统转而去执行这个系统调用，当调用结束后，又回到主线程上调用其后的方法，这也是为什么其会被称为回调（call then back）。
关于回调函数在何时执行并没有具体的要求，回调函数的调用既可以是同步的（例如map方法），也可以是异步的（例如setTimeout方法中的匿名函数）。
2．异步过程中的回调
单线程运行的语言在设计时要考虑这样的问题：如果遇到一个耗时的操作，例如磁盘IO，要不要等待操作完成了再执行下一步操作？
有的语言选择了在完成之前继续等待，例如PHP。
Node选择另一种方式，当遇到IO操作时，Node代码在发起一个调用后继续向下执行，IO操作完成后，再执行对应的回调函数（异步），虽然代码运行在单线程环境下，但依靠异步+回调的方式，也能实现对高并发的支持。
代码1.1 回调函数示意
代码1.1中的callback方法即为一个简单的回调方法。readFile发起一个系统调用，随后执行结束，当系统调用完成后，再通过回调函数获得文件的内容。
1.2.2 同步/异步和阻塞/非阻塞
1．同步与异步
同步和异步描述的是进程/线程的调用方式。
同步调用指的是进程/线程发起调用后，一直等待调用返回后才继续执行下一步操作，这并不代表CPU在这段时间内也会一直等待，操作系统多半会切换到另一个进程/线程上去，等到调用返回后再切换回原来的进程/线程。
异步就相反，发起调用后，进程/线程继续向下执行，当调用返回后，通过某种手段来通知调用者。
注意：同步和异步中的“调用返回”，是指内核进程将数据复制到调用进程（Linux环境下）。
我们常常说JavaScript是一门异步的语言，但ECMAScript里并没有关于异步的规范，JavaScript的异步更多是依靠浏览器runtime内部其他线程来实现，并非JavaScript本身的功能，是浏览器提供的支持让JavaScript看起来像是一个异步的语言。
2．阻塞与非阻塞
阻塞与非阻塞的概念是针对IO状态而言的，关注程序在等待IO调用返回这段时间的状态。
关于Node中的IO，这里依然借用官网的说法：
需要注意的是，Node也没有使用asynchronous（异步）之类的词汇，而是使用了non-blocking（非阻塞）这样的描述。
阻塞/非阻塞和同步/异步完全是两组概念，它们之间没有任何的必然联系。很多人认为，阻塞=同步，非阻塞=异步，这种观念是不正确的。我们下面介绍的IO编程模型中，除了纯粹的AIO之外，阻塞和非阻塞IO都是同步的。
在介绍IO编程模型之前，先回答两个问题。
（1）什么是IO操作
输入/输出（I/O）是在内存和外部设备（如磁盘、终端和网络）之间复制数据的过程。
在实践中IO操作几乎无处不在，因为大多数程序都要产生输出结果才有意义（往往是输出到磁盘或者屏幕），除非你只在内存中计算一个斐波那契数列而且不采取其他任何操作。
在Node中，IO特指Node程序在Libuv支持下与系统磁盘和网络交互的过程。
（2）IO调用的结果怎么返回给调用的进程/线程
通过内核进程复制给调用进程，在Linux下，用户进程没办法直接访问内核空间，通常是内核调用copy_to_user方法来传递数据的，大致的流程就是IO的数据会先被内核空间读取，然后内核将数据复制给用户进程。还有一种零复制技术，大致是内核进程和用户进程共享一块内存地址，这避免了内存的复制，读者可自行搜索相关内容。
3．IO编程模型
编程模型是指操作系统在处理IO时所采用的方式，这通常是为了解决IO速度比较慢的问题而诞生的。
一般来说，编程模型有以下几种：
- blocking I/O
- non-blocking I/O
- I/O multiplexing（select and poll）
- signal driven I/O（SIGIO）
- asynchronous I/O（the POSIX aio_functions）
上面的5种模型中，signal driven I/O模型不常用，我们主要讨论其他4种，它们均特指Linux下的IO模型。
（1）阻塞IO（blocking I/O）
对于IO来说，通常可以分为两个阶段，准备数据和返回结果，阻塞型IO在进程发出一个系统调用请求之后，进程就一直等待上述两个阶段完成，等待拿到返回结果之后再重新运行。
（2）非阻塞IO（nonblocking I/O）
和上面的过程相似，不同之处是当进程发起一个调用后，如果数据还没有就绪，就会马上返回一个结果告诉进程现在还没有就绪，和阻塞IO的区别是用户进程会不断查询内核状态。这个过程依旧是同步的。
（3）IO multiplexing/Event Driven
这种IO通常也被称为事件驱动IO，同样是以轮询的方式来查询内核的执行状态，和非阻塞IO的区别是一个进程可能会管理多个IO请求，当某个IO调用有了结果之后，就返回对应的结果。
注意：select和poll都是IO复用的机制，另外Node使用epoll（改进后的poll），这里不再详细介绍。
（4）Asynchronous I/O
异步IO的概念读者应该很熟悉了，和前面的模型相比，当进程发出调用后，内核会立刻返回结果，进程会继续做其他的事情，直到操作系统返回数据，给用户进程发送一个信号。注意，异步IO并没有涉及任何关于回调函数的概念，此外，这里的异步IO只存在于Linux系统下。
读者可能会感到好奇，那么既然如此，为什么在官网上Node没有标榜自己是异步IO，而是写成非阻塞IO呢？
很简单，因为非阻塞是实打实的，而Node中的“异步I/O”是依靠Libuv模拟出来的。我们会在下一节介绍。
用一句话来概括阻塞/非阻塞和同步/异步：
同步调用会造成调用进程的IO阻塞，异步调用不会造成调用进程的IO阻塞（引用自《Unix网络编程》第三版6.2）。
1.2.3 单线程和多线程
其他语言（例如Java、C++等）都有多线程的语言特性，即开发者可以派生出多个线程来协同工作，在这种情况下，用户的代码是运行在多线程环境下的。
Node并没有提供多线程的支持，这代表用户编写的代码只能运行在当前线程中，用于运行代码的事件循环也是单线程运行的。开发者无法在一个独立进程中增加新的线程，但是可以派生出多个进程来达到并行完成工作的目的。
另一方面，Node的底层实现并非是单线程的，libuv会通过类似线程池的实现来模拟不同操作系统下的异步调用，这对开发者来说是不可见的。
Libuv中的多线程
开发者编写的代码运行在单线程环境中，这句话是没错的，但如果说整个Node都是依靠单线程运行的，那就不正确了，因为libuv中是有线程池的概念存在的。
Libuv是一个跨平台的异步IO库，它结合了UNIX下的libev和Windows下的IOCP的特性，最早由Node的作者开发，专门为Node提供多平台下的异步IO支持。libuv本身是由C/C++语言实现的，Node中的非阻塞IO以及事件循环的底层机制，都是由libuv来实现的。
图1-2讲述了libuv的架构。
图1-2
在Windows环境下，libuv直接使用Windows的IOCP（I/O Completion Port）来实现异步IO。在非Windows环境下，libuv使用多线程来模拟异步IO。
Node的异步调用是由libuv来支持的，以readFile为例，读取文件的系统调用是由libuv来完成的，Node只负责调用libuv的接口，等数据返回后再执行对应的回调方法。
1.2.4 并行和并发
并行（Parallel）与并发（Concurrent）是两个很常见的概念，两者虽然中文译名相似，但实质上差别很大。
在介绍下面的内容之前，有必要对这两概念进行解释，下面是一个简单的比喻：
我们假设业务场景是排队取火车票。
并发是假设有两对人排队，但只有一个取票机，为了公平起见，先由队列一排头的人上前取票，再由队列二的一个人上前取票，两个队列都在向前移动。
并行同样是两队人排队取票，不同的是开放了两个取票机，那么两个队列可以同时向前移动，速度是一个窗口的两倍以上（避免了一个窗口在两个队列间切换）。
并发和并行对应了两种需求，一个是希望计算机做更多的事（处理多个队列），另一个是希望计算机能更快地完成任务（让队列以更快的速度向前移动）。
如图1-3所示给出了并发和并行，以及顺序程序（即串行程序）之间的关系与区别（该图引用自《深入理解计算机系统》12.6的图12-30）。
图1-3
Node中的并发
单线程支持高并发，通常都是依靠异步+事件驱动（循环）来实现的，异步使得代码在面临多个请求时不会发生阻塞，事件循环提供了IO调用结束后调用回调函数的能力。
Java可以依靠多线程实现并发，Node本身不支持开发者书写多线程的代码，事件循环也是单线程运行的，但是通过异步和事件驱动能够很好地实现并发。
有一句话非常出名：“除了你的代码，一切都是并行的”，网络上很多文章都会提到这句话。但稍微思考一下，就会发现这句话里的“并行”值得深究。我们稍后会继续介绍，在那之前，先来看事件循环相关的内容。