מה זה Node.js ואיך הוא עובד מאחורי הקלעים

בתמונה תוכלו לראות את שתי סביבות ההרצה שדיברנו עליהן (Node.js & Chrome) ואיך V8 JavaScript engine לוקח קוד JavaScript, וממיר אותו ל-machine code כך שהמחשב שלכם יוכל לבצע. שימו לב כי פונקציות שחשבתם שהם של Javascript הם בעצם Implementation של ++C, וכדי שנוכל לגשת אליהן, סביבת ההרצה מספק לנו את שכבה כמו Intermediate language שמאפשרת לנו לגשת אל אותן API's.

אם כך, נחזור לשאלה שלנו, מה חלק מ-JavaScript?

• DOM
• LocalStorage
• setTimeout
• console.log

התשובה כבר לא צריכה להפתיע אתכם, אבל אף אחד מהאפשרויות לא באמת חלק מ-JavaScript, זה רק ה-Implementation של סביבת ההרצה V8 JavaScript engine שנכתבה על ידי ++C שנותנת לנו לגשת ולבצע את הפעולות האלו של ה-API's דרך JavaScript.

Event-driven (single thread)

זהו המנגנון שבאמצעותו Node.js מנהל פעולות אסינכרוניות בצורה יעילה, גם כשהוא רץ על תהליכון אחד (thread יחיד). כל פעולה מתוזמנת להתבצע כשיגיע תורה, בלי לחסום את שאר הקוד. הנה החלקים שמרכיבים את המנגנון הזה:

1. Call Stack

   זהו המקום שבו מתבצע הקוד הרגיל שלכם (קוד סינכרוני) — פונקציות, לולאות, תנאים ועוד. כל פעולה נכנסת לראש ה-Stack, וברגע שהיא מסתיימת, היא מוסרת ממנו. ברגע שה-Stack מתרוקן, המערכת פנויה להפעיל פעולות נוספות.

2. Node APIs ו-libuv

   כאשר אתם כותבים קוד אסינכרוני שמשתמש בפונקציות כמו setTimeout, fs.readFile או http.get, חשוב להבין שאלו לא פונקציות של JavaScript עצמה — אלא של Node.js. הפונקציות האלו מגיעות מ-Node APIs, שהם אוסף של פונקציות שמובנות בתוך Node.js, ונכתבו ב-C++ מעל ספרייה פנימית בשם libuv.

   libuv אחראית לטפל בפעולות אסינכרוניות שמגיעות מ-Node APIs — לדוגמה, קריאת קבצים, בקשות HTTP או טיימרים. לעומת זאת, פונקציות סינכרוניות מתוך Node APIs, כמו fs.readFileSync, רצות ישירות ב-thread הראשי של JavaScript, כלומר ב-Call Stack בלי מעורבות של libuv.

   אם הפעולה "כבדה" כמו גישה לדיסק, libuv מפעיל thread pool (קבוצת תהליכונים שפועלים במקביל) כדי לבצע אותה מאחורי הקלעים. כאשר הפעולה מסתיימת, libuv לא מריץ את הקוד שלך מיד – אלא שולח את הפונקציה (ה-callback) לתור ממתינים בשם Callback Queue, שם היא מחכה לביצוע.

   חשוב להבין שלא כל פעולה אסינכרונית משתמשת ב-libuv. פעולות כמו Promises (למשל then או catch) מקורן ישירות ב-JavaScript ולכן מנוהלות ישירות על ידי מנוע ה-JavaScript (V8), ולא עוברות דרך Node APIs או thread pool כלל. הן נכנסות לתור נפרד הנקרא Microtask Queue.

3. Callback Queue (Macrotask Queue)

   Callback Queue (לעיתים נקרא גם Macrotask Queue) הוא תור שמכיל callbacks של פעולות אסינכרוניות כמו setTimeout, fs.readFile, או בקשות רשת. אחרי שהן הסתיימו (בין אם דרך libuv או מנגנונים אחרים של Node APIs), הן מוכנסות לתור הזה.

4. Microtask Queue

   תור נוסף שמכיל callbacks של פעולות אסינכרוניות עם עדיפות גבוהה יותר, כמו Promise.then, catch או finally. תור זה נקרא Microtask Queue, והוא מנוהל ישירות על ידי מנוע ה-JavaScript (V8), ללא תלות ב-libuv או Node APIs.

   לדוגמה: אם אתם מבצעים בקשת רשת עם fetch, החלק שמטפל בתגובה (כלומר, הקוד בתוך then) לא נכנס ל-Callback Queue כמו שאר הפעולות האסינכרוניות – אלא ל-Microtask Queue כיוון ש-then הוא חלק ממנגנון ה-Promise, שמנוהל ישירות על ידי מנוע ה-JavaScript (V8), ולכן יש לו עדיפות וכמובן שהוא לא יעבור דרך libuv.

5. Event Loop

   זהו המנגנון שמחליט מה לבצע בכל רגע. הוא בודק כל הזמן אם ה-Call Stack פנוי, ואם כן — הוא מפעיל את מה שממתין בתורים.

   הסדר הוא כזה:

   1. בודק אם ה-Call Stack ריק
   2. אם כן, מבצע את כל המשימות בתור של ה-Microtask
   3. רק לאחר מכן עובר לתור של ה-Callback Queue ומבצע ממנו פעולה אחת או יותר
   4. אם בזמן הזה נוספו משימות חדשות ל-Microtask Queue, הוא חוזר לטפל בהן לפני שממשיך
   1) console.log("start"); // Call stack
2) setTimeout(() => console.log("timeout"), 0); // Callback queue
3) Promise.resolve().then(() => console.log("promise")); // Microtask queue
4) console.log("end"); // Call stack

Output:
start
end
promise
timeout

   כך נוצר תיאום בין הקוד שלך לבין כל הפעולות האסינכרוניות, והכול קורה בסדר ברור ויעיל.