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：

npm install fibers

fibers库的使用

API

1.Fiber(fn)/ new Fiber(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：

function fibo(n) {

    return n > 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：

var fiber = Fiber(function () {

    console.log("Fiber Start");

    Fiber.yield();

    console.log("Fiber Stop");

}).run();

// 输出: "Fiber Start"

执行后只会输出“Fiber Start”，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。

var fiber = 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：

var Fiber = require('fibers');

var fiber = Fiber(function (a) {

    console.log("第一次调用run:");

    console.log("fn参数为："+a);

    var b = 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()

var c=fiber.run("One");

// 第二次运行run()

var d=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：

var fiboGenerator = function () {

    var a = 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);

        }

    }

}

var f = new Fiber(fiboGenerator);

f.next = f.run;

for (var i = 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 var future=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”。

var futureFun = function power(a) {

    return a * 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.new Future()

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：

var readFileSync = Future.wrap(require("fs").readFile);

Fiber(function () {

    var html = 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) {

    throw err;

}, 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：

var target = new Future;

target.resolve(function (err, data) {

    console.log(data)

});

var proxyFun = function (num, cb) {

    cb(null, num * num);

};

Fiber(function () {

    var proxy = 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。