CPUバウンドおよびI/Oバウンドタスクの探索：node.jsのLibuvライブラリ内の内部-jsチュートリアル-php.cn

CPU集約型およびI/O集約型タスクを理解することは、アプリケーションを最適化し、正しいテクノロジースタックを選択するために不可欠です。これらの概念は、主にアプリケーションのパフォーマンスボトルネックに関連しており、開発者が非常に効率的なマルチスレッドおよび非同期プログラムを設計するのに役立ちます。

システムモデル

コンピューターシステムは、次のように抽出できます

入力と出力はI/Oカテゴリに属し、計算はCPUによって処理されます。

<code>输入 (键盘) -> 处理 (CPU) -> 输出 (显示器)</code>

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順序または並列実行の複数の方法または関数で構成される単一のプログラムは、次のように抽出できます。

順番または並行して実行されている単一のマシンサービス（クラスター）で構成される分散サービスは、次のように抽象化できます。

<code>输入参数 -> 计算 -> 返回值</code>

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要求と応答はI/Oカテゴリに属し、計算はCPUによって処理されます。

ハードウェアとソフトウェアの観点から見ると、システムはI/O操作とCPU計算で構成されています。

<code>网络请求 (输入参数) -> 计算 -> 网络响应 (返回值)</code>

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cpu密なタスク

CPU集約型タスクは、主に中央プロセッサ（CPU）の処理速度によって制限されます。これらのタスクには多くの計算が必要であり、ほとんどの場合、ディスクI/Oやネットワーク通信などの外部リソースを待つ代わりにCPUを使用しています。

CPU密度の高いタスクの特性

高いコンピューティング要件

：これらのタスクには、通常、ビデオコーディング/デコード、画像処理、科学的コンピューティングなどの複雑な数学的操作が含まれます。

：マルチコアCPUで、並列処理は、ワークロードを複数のコアに割り当てることにより、CPU集中タスクの実行効率を大幅に改善できます。高いリソース消費
一般的な例
データ分析と大規模な数値計算。

暗号通貨マイニング。

ラップトップファンが非常に大声で実行されている場合、CPU集約型タスクを扱っている可能性があります。
PassraLized

アルゴリズムの最適化

：アルゴリズムを最適化して、不必要な計算を削減します。

コンパイラ最適化

i/o -denseタスク
I/O濃度のタスクは、ディスクI/Oやネットワーク通信を含む入力/出力（I/O）操作によって主に制限されています。これらのタスクのボトルネックは、計算能力ではなく、I/O操作が完了するのを待つことです。 i/o集約型タスク特性

高いI/O要件：これらのタスクは、ファイルを頻繁に読み書きするか、多数のネットワークリクエストを処理します。
同時の利点
：I/O集約型タスクは、node.jsの非ブロッキングI/oなどのイベントドライブや非同期プログラミングモデルの恩恵を受けます。低CPU使用率
：ほとんどの時間は外部操作を待つことに費やされるため、CPU使用率は通常低くなります。
一般的な例

多数のWebサーバーとデータベースサーバーを処理します。

ディスクファイルサーバーを頻繁に読み書きします。

クライアントのクライアントやソーシャルメディアアプリケーションなど、クライアントアプリケーションは、頻繁にネットワークリクエストとデータ取得が必要です。

I/O集約型タスクの最適化

キャッシュ
：メモリキャッシュを使用して、ディスクI/Oの需要を減らします。

非同期プログラミング
：非同期I/O操作を実装して、閉塞を避け、それにより応答速度とスループットを改善します。リソース管理の最適化
：不必要な読み取りと書き込みを最小限に抑えるために、I/O操作を効果的に発送します。
node.jsおよび非ブロッキングi/o

node.jsは、I/Oモデルのよく知られている実装です。非ブロッキングI/Oは何ですか？

非ブロッキングI/Oは、完了を余儀なくされない入力/出力操作を指します。この方法により、プログラムはI/O操作を待つときに他のタスクを実行できます。

node.jsノンブロッキングI/Oを処理する方法は？

node.jsはV8エンジンでJavaScriptを実行し、Libuvライブラリを使用して非ブロッキングI/Oおよび非同期プログラミングを実現します。 node.jsの非ブロッキングI/oの主要なコンポーネントは次のとおりです。

インシデントサイクル
：node.jsは、非ブロッキングI/oのコアメカニズムを有効にします。ネットワーク通信、ファイルI/O、ユーザーインターフェイス操作、タイマーイベントの同時処理が可能になります。

スタックを呼び出します
：すべての同期操作（計算の閉塞操作や直接データ処理など）がスタックで実行されます。スタック内の長い操作により、プログラムがブロックされ、「メインスレッドが停滞」します。

コールバックキュー
：非同期操作が完了すると、コールバック関数がキューに入れられ、実行を待ちます。イベントサイクルは引き続きキューを確認し、実行可能なコールバックをコールスタックに移動して実行します。
非ブロッキング操作：ファイルシステム操作の場合、node.jsはlibuvライブラリを使用して、基礎となるposix non -blocking APIを使用して非ブロック関数を有効にします。ネットワーク要求の場合、node.jsは非ブロッキングネットワークI/oを実現します。

次の例を考えてみましょう この例では、fs.readfileは非同期です。 node.jsは、ファイルが読み取られるのを待つことなく、console.log（ 'Next Step'）を実行し続けます。ファイルが読み取られた後、コールバック関数がキューに登録され、最終的に実行され、ファイルのコンテンツが表示されます。

インシデント駆動型コールバックを使用することにより、単一のスレッドは複数の操作を効果的に処理できます。これにより、I/O集約型タスクを扱うときにパフォーマンスとリソースの使用率が大幅に向上します。

node.js非ブロッキングファイルシステム操作

node.jsがファイルシステム操作（ファイルの読み取りなど）を実行すると、POSIXファイルシステムAPIを直接呼び出す代わりにLibuvを使用します。 Libuvは、インシデントのサイクルがブロックされないようにしながら、これらの操作を実行する最も効果的な方法を決定します。

libuvは、固定されたサイズのスレッドプール（デフォルト：4つのスレッド）を維持し、オペレーティングシステムレベルのブロッキングI/O操作を非同期に実行します。したがって、ファイルI/O操作は、メインインシデントのループをブロックするのではなく、これらの背景スレッドで実行されます。

libuvはプロデューサー - 消費者モデルに従います。

メインスレッドは、タスク（ファイルの読み取り要求など）をタスクキューに送信します。

スレッドプールは、キューからタスクを取得および実行します。

完了後、作業スレッドはメインスレッドに通知して、コールバック関数を実行します。

これにより、メインスレッドは、重いI/O動作期間中でも軽量と応答を迅速に維持できることが保証されます。

結論適切な処理方法とテクノロジースタックを選択することは、アプリケーションのパフォーマンスを改善するために不可欠です。たとえば、node.jsは、スレッドリソースを過度に消費せずに多数の同時ネットワークリクエストを効果的に管理できる非ブロックI/Oモデルを備えているため、I/OデンスWebアプリケーションの処理に非常に適しています。それどころか、CPU集約型タスクでは、マルチスレッド言語とプラットフォームの使用（Java、C、Goなど）がマルチコアCPU処理機能を使用できます。

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