nodejs中的fiber(纤程)库详解
fiber/纤程
在操作系统中,除了进程和线程外,还有一种较少应用的纤程(fiber,也叫协程)。纤程常常拿来跟线程做对比,对于操作系统而言,它们都是较轻量级的运行态。通常认为纤程比线程更为轻量,开销更小。不同之处在于,纤程是由线程或纤程创建的,纤程调度完全由用户代码控制,对系统内核而言,是一种非抢占性的调度方式,纤程实现了合作式的多任务;而线程和进程则受内核调度,依照优先级,实现了抢占式的多任务。另外,系统内核是不知道纤程的具体运行状态,纤程的使用其实是比较与操作系统无关。
在node中,单线程是仅针对javascript而言的,其底层其实充斥着多线程。而如果需要在javascript中实现多线程,一种常见的做法是编写C++addon,绕过javascript的单线程机制。不过这种方法提升了开发调试的难度和成本。像其他很多脚本语言,我们也可以把纤程的概念引入到node中。
node-fibers
node-fibers这个库就为node提供了纤程的功能。多线程方面没有测试出理想的结果,不过在异步转同步作用显著,也许在减少node调用堆栈、无限递归方面也会有价值可挖。本文档主要介绍node-fibers库的使用方法和异步转同步等内容。
安装
node-fibers是采用C语言编写,直接下载源码需要编译,通常直接npm安装即可:
npminstallfibers
fibers库的使用
API
1.Fiber(fn)/newFiber(fn):
创建一个纤程,可以当成构造函数使用,也可以当成普通函数调用。如下例:
functionfibo(n){ returnn>1?fibo(n-1)+fibo(n-2):1; } Fiber(function(){ console.log(fibo(40)); });
当run()调用的时候,纤程启动,并为fn分配新的堆栈,fn会在这个新的堆栈上运行,直到fn有返回值或调用yield()。fn返回后或调用yield()后,堆栈重置,当再次调用run()时,纤程会再次启动,fn运行于首次分配的堆栈中。
2.Fiber.current:
获得当前纤程,并可对其进行操作。如果指定一个变量与其相关联,请务必确保此纤程能够释放,否则V8的垃圾回收机制会一直忽略这部分的内存,造成内存泄漏。
3.Fiber.yield(param):
前面的说明中已经提及过这个函数。yield()方法用于中断纤程,一定程度上类似return。一旦执行yield(),则此Fiber中后续代码将没有机会执行,例如:
varfiber=Fiber(function(){ console.log("FiberStart"); Fiber.yield(); console.log("FiberStop"); }).run(); //输出:"FiberStart"
执行后只会输出“FiberStart”,后一个输出命令没有执行。如果向yield()传入参数,那么此参数作为run()的返回值。
varfiber=Fiber(function(){ Fiber.yield("success"); }).run(); console.log(fiber);//->"success"
4.Fiber.prototype.run(param):
这个方法已经很熟悉了,之前隐约有提及调用run()的两种时态,一是Fiber未启动时,一时Fiber被yield时。在这两种时态下,run()的行为并不太一样。
当Fiber未启动时,run()接受一个参数,并把它传递给fn,作为其参数。当Fiber处理yielding状态时,run()接受一个参数,并把它作为yield()的返回值,fn并不会从头运行,而是从中断处继续运行。关于fn、yield、run三者的参数、返回值等关系,可以通过下面的小例子来说明:
varFiber=require('fibers'); varfiber=Fiber(function(a){ console.log("第一次调用run:"); console.log("fn参数为:"+a); varb=Fiber.yield("yield"); console.log("第二次调用run:"); console.log("fn参数为:"+a); console.log("yield返回值为:"+b); return"return"; }); //第一次运行run() varc=fiber.run("One"); //第二次运行run() vard=fiber.run("Two"); console.log("调用yield,run返回:"+c); console.log("fn运行完成,run返回:"+d);
输出如下:
/* 第一次调用run: fn参数为:One 第二次调用run: fn参数为:One yield返回值为:Two 调用yield,run返回:yield fn运行完成,run返回:return */
从上面例子中,可以很明显看出yield的使用方法与现在的javascript的语法相当不同。在别的语言中(C#、Python等)已经实现了yield关键字,作为迭代器的中断。不妨在node上也实现一个迭代器,具体体会一下yield的使用。还是以开头的斐波那契数列为例:
varfiboGenerator=function(){ vara=0,b=0; while(true){ if(a==0){ a=1; Fiber.yield(a); }else{ b+=a; b==a?a=1:a=b-a; Fiber.yield(b); } } } varf=newFiber(fiboGenerator); f.next=f.run; for(vari=0;i<10;i++){ console.log(f.next()); }
输出为:
/* 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 */
有两个问题需要留意,第一,yield说是方法,更多地像关键字,与run不同,yield不需要依托Fiber实例,而run则需要。如果在Fiber内部调用run,则一定要使用:Fiber.current.run();第二,yield本身为javascript的保留关键字,不确定是否会、何时会启用,所以代码在将来可能会面临变更。
5.Fiber.prototype.reset():
我们已经知道Fiber可能存在不同的时态,同时会影响run的行为。而reset方法则不管Fiber处理什么状态,都恢复到初始状态。随后再执行run,就会重新运行fn。
6.Fiber.prototype.throwInto(Exception):
本质上throwInto会抛出传给它的异常,并将异常信息作为run的返回值。如果在Fiber内不对它抛出的异常作处理,异常会继续冒泡。不管异常是否处理,它会强制yield,中断Fiber。
future库的使用
在node中直接使用Fiber并不一直是合理的,因为Fiber的API实在简单,实际使用中难免会产生重复冗长的代码,不利于维护。推荐在node与Fiber之间增加一层抽象,让Fiber能够更好地工作。future库就提供了这样一种抽象。future库或者任何一层抽象也许都不是完美的,没有谁对谁错,只有适用不适用。比如,future库向我们提供了简单的API能够完成异步转同步的工作,然而它对封装generator(类似上面的斐波那契数列生成器)则无能为力。
future库不需要单独下载安装,已经包含在fibers库中,使用时只需要varfuture=require('fibers/future')即可。
API
1.Function.prototype.future():
给Function类型添加了future方法,将function转化成一个“funture-function”。
varfutureFun=functionpower(a){ returna*a; }.future(); console.log(futureFun(10).wait());
实际上power方法是在Fibel内执行的。不过现有版本的future有bug,官方没有具体的说明,如果需要使用此功能,请删除掉future.js的第339行和第350行。
2.newFuture()
Future对象的构造函数,下文详细介绍。
3.Future.wrap(fn,idx)
wrap方法封装了异步转同步的操作,是future库中对我们最有价值的方法。fn表示需要转换的函数,idx表示fn接受的参数数目,认为其callback方法为最后一个参数(这边API的制定颇有争议,有人倾向传递callback应该处于的位置,好在wrap方法比较简单,可以比较容易修改代码)。看一个例子就能了解wrap的用法:
varreadFileSync=Future.wrap(require("fs").readFile); Fiber(function(){ varhtml=readFileSync("./1.txt").wait().toString(); console.log(html); }).run();
从这个例子中可以看出Fiber异步转同步确实非常有效,除了语法上多了一步.wait()外,其他已经fs提供的fs.readFileSync方法别无二致了。
4.Future.wait(futures):
这个方法前面已经多次看到了。顾名思义,它的作用就是等待结果。如果要等待一个future的实例的结果,直接调用futureInstance.wait()即可;如果需要等待一系列future实例的结果,则调用Future.wait(futuresArray)。需要注意的是,在第二种用法中,一个future实例在运行时出现错误,wait方法不会抛出错误,不过我们可以使用get()方法直接获取运行结果。
5.Future.prototype.get():
get()的用法与wait()的第一种方式很像,所不同的是,get()立刻返回结果。如果数据没有准备好,get()会抛出错误。
6.Future.prototype.resolve(param1,param2):
上面的的wrap方法总给人以一种future其实在吞噬异步方法的回调函数,并直接返回异步结果。事实上future也通过resolve方法提供设置回调函数的解决方案。resolve最多接受两个参数,如果只传入一个参数,future认为传了一个node风格的回调函数,例如如下示例:
futureInstance.resolve(function(err,data){ if(err){ throw err; }else{ console.log(data.toString()); } });
如果传入两个参数,则表示对错误和数据分别做处理,示例如下:
futureInstance.resolve(function(err){ throwerr; },function(data){ console.log(data.toString()); });
另外future并不区分resolve的调用时机,如果数据没有准备好,则将回调函数压入队列,由resolver()方法统一调度,否则直接取数据立即执行回调函数。
7.Future.prototype.isResolved():
返回布尔值,表示操作是否已经执行。
8.Future.prototype.proxy(futureInstance):
proxy方法提供一种future实例的代理,本质上是对resolve方法的包装,其实是将一个instance的回调方法作为另一个instance的回调执行者。例如:
vartarget=newFuture; target.resolve(function(err,data){ console.log(data) }); varproxyFun=function(num,cb){ cb(null,num*num); }; Fiber(function(){ varproxy=Future.wrap(proxyFun)(10); proxy.proxy(target); }).run();//输出100
虽然执行的是proxy,但是最终target的回调函数执行了,并且是以proxy的执行结果驱动target的回调函数。这种代理手段也许在我们的实际应用中有很大作用,我暂时还没有深入地思考过。
9.Future.prototype.return(value):
10.Future.prototype.throw(error):
11.Future.prototype.resolver():
12.Future.prototype.detach():
以上四个API呢我感觉相对于别的API,实际使用的场景或作用比较一般。return和throw都受resolver方法调度,这三个方法都很重要,在正常的future使用流程中都会默默工作着,只是我没有想出具体单独使用它们的场景,所以没有办法具体介绍。detach方法只能算resolve方法的简化版,亦没有介绍的必要。