前提條件

想要充分了解本文內(nèi)容，你必須了解以下概念：

• Node.js 的設(shè)置與安裝
• 如何使用 Node 創(chuàng)建 API
• 如何使用 Postman
• JavaScript 的 async/await 工作原理
• Redis 的基礎(chǔ)操作

API 優(yōu)化到底指的是什么

優(yōu)化包含了改善 API 的響應(yīng)時間。響應(yīng)時間越短，API 的速度越快。

我將在本文分享一些技巧，幫助你縮短響應(yīng)時間、降低延遲、管理錯誤和吞吐量，并且最大限度地減少 CPU 和內(nèi)存的使用。

如何優(yōu)化 Node.js 的 API

1. 始終使用異步函數(shù)

異步函數(shù)就像 JavaScript 的心臟。因此，優(yōu)化 CPU 使用率的最佳方法就是編寫異步函數(shù)來執(zhí)行非阻塞 I/O 操作。

I/O 操作包括對數(shù)據(jù)的讀和寫。它可以在數(shù)據(jù)庫、云存儲或者任何本地磁盤上進(jìn)行。

在大量使用 I/O 操作的應(yīng)用使用異步函數(shù)可以提高效率。因為由于沒有阻塞 I/O，當(dāng)一個請求在做輸入/輸出操作的時候，CPU 可以同時處理多個請求。

舉例如下：

var fs = require('fs');
// 執(zhí)行阻塞I/O
var file = fs.readFileSync('/etc/passwd');
console.log(file);
// 執(zhí)行非阻塞I/O
fs.readFile('/etc/passwd', function(err, file) {
    if (err) return err;
    console.log(file);
});

• 使用 Node 包fs來處理文件
• readFileSync()是同步函數(shù)，會在執(zhí)行完成前阻塞線程
• readFile()是異步函數(shù)，會立刻返回并在后臺運行

2. 避免在 API 中使用 session 和 cookie，僅在 API 響應(yīng)中發(fā)送數(shù)據(jù)

當(dāng)我們使用 cookie 或者 session 來存儲臨時狀態(tài)的時候，會占用非常多的服務(wù)器內(nèi)存。

現(xiàn)在通用無狀態(tài) API，并且也有 JWT、OAuth 等驗證機(jī)制。驗證令牌保存在客戶端以便服務(wù)器管理狀態(tài)。

JWT 是基于 JSON 的用于 API 驗證的安全令牌。JWT 可以被看到，但一旦發(fā)送就無法修改。JWT 只是一個序列并沒有加密。OAuth 不是 API 或服務(wù)——相反，它是授權(quán)的開放標(biāo)準(zhǔn)。OAuth 是一組用于獲取令牌的標(biāo)準(zhǔn)步驟。

同時，也不要把時間浪費在使用 Node.js 來服務(wù)靜態(tài)文件。這方面 NGINX 和 Apache 做得更好。

使用 Node 搭建 API 的時候，不要在響應(yīng)中發(fā)送完整的 HTML 頁面。當(dāng)僅有數(shù)據(jù)通過 API 發(fā)送的時候，Node 服務(wù)得會更好。大部分 Node 應(yīng)用都使用 JSON 數(shù)據(jù)。

3. 優(yōu)化數(shù)據(jù)庫查詢

優(yōu)化 Node API 的重要一環(huán)是優(yōu)化查詢。特別是對于大型應(yīng)用來說，我們需要多次查詢數(shù)據(jù)庫，所以一個糟糕的查詢會降低應(yīng)用的整體性能。

索引是一種優(yōu)化數(shù)據(jù)庫性能的方法，通過最小化處理查詢時所需的磁盤訪問次數(shù)來實現(xiàn)。它是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)技術(shù)，用于快速定位和訪問數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。索引是使用幾個數(shù)據(jù)庫列創(chuàng)建的。

假設(shè)我們有一個沒有索引的數(shù)據(jù)庫模式，并且數(shù)據(jù)庫包含 100 萬條記錄。與帶有索引的模式相比，使用沒有索引的模式做一個簡單的 find（查找）查詢將掃描更多的記錄來找到匹配的記錄。

• 沒有索引的查詢

> db.user.find({email: 'ofan@skyshi.com'}).explain("executionStats")

• 有索引的查詢

> db.getCollection("user").createIndex({ "email": 1 }, { "name": "email_1", "unique": true })
{
 "createdCollectionAutomatically" : false,
 "numIndexesBefore" : 1,
 "numIndexesAfter" : 2,
 "ok" : 1
}

兩者之間掃描文件的數(shù)量相差巨大 ~ 1038：

4. 使用 PM2 集群模式優(yōu)化 API

PM2 是為 Node.js 應(yīng)用程序設(shè)計的生產(chǎn)流程管理器。它內(nèi)置了負(fù)載平衡器，允許應(yīng)用程序在不修改代碼的情況下，作為多個進(jìn)程運行。

使用 PM2 時的應(yīng)用停機(jī)時間幾乎為零?？傮w來說，PM2 確實可以提升 API 性能和并發(fā)性。

在生產(chǎn)環(huán)境中部署代碼并運行以下命令以查看 PM2 集群如何在所有可用 CPU 上進(jìn)行擴(kuò)展：

pm2 start  app.js -i 0

5. 減少 TTFB（第一字節(jié)時間）

第一字節(jié)時間是一種測量方式，用作表示 Web 服務(wù)器或者其他網(wǎng)絡(luò)資源的響應(yīng)時間。TTFB 測量從用戶或客戶發(fā)出 HTTP 請求到客戶的瀏覽器收到頁面的第一個字節(jié)的時間。

所有用戶訪問瀏覽器的同一頁面加載速度不可能在 100 毫秒之內(nèi)，這僅僅是因為服務(wù)器和用戶之間的物理距離。

我們可以通過使用 CDN 和全球本地數(shù)據(jù)中心緩存內(nèi)容來減少第一個字節(jié)的時間。這有助于用戶以最小的延遲訪問內(nèi)容。你可以從 Cloudflare 提供的 CDN 解決方案開始著手。

6. 使用帶日志的錯誤腳本

監(jiān)視 API 是否正常工作最好的辦法是記錄行為，于是記錄日志就派上用場。

一個常見的辦法是將記錄打印在控制臺上（使用console.log()）。

比console.log()更高效的方法是使用 Morgan、Buyan 和 Winston。我將在這里以 Winston 為例。

如何使用 Winston 記錄 – 功能

• 支持 4 個可以自由選擇的日志等級，如：info、error、verbose、debug、silly 和 warn
• 支持查詢?nèi)罩?/li>
• 簡單的分析
• 可以使用相同的類型進(jìn)行多個 transports 輸出
• 捕獲并記錄 uncaughtException

可以使用以下命令行設(shè)置 Winston：

npm install winston --save

這里是使用 Winston 記錄的基本配置：

const winston = require('winston');

let logger = new winston.Logger({
  transports: [
    new winston.transports.File({
      level: 'verbose',
      timestamp: new Date(),
      filename: 'filelog-verbose.log',
      json: false,
    }),
    new winston.transports.File({
      level: 'error',
      timestamp: new Date(),
      filename: 'filelog-error.log',
      json: false,
    })
  ]
});

logger.stream = {
  write: function(message, encoding) {
    logger.info(message);
  }
};

7. 使用 HTTP/2 而不是 HTTP

除了上述使用的這些技巧，我們還可以使用 HTTP/2 而不是 HTTP，因為它具備以下優(yōu)勢：

• 多路復(fù)用
• 頭部壓縮
• 服務(wù)器推送
• 二進(jìn)制格式

它專注提高性能，并解決 HTTP 的問題。它使網(wǎng)頁瀏覽更快、更容易，并且消耗更少的帶寬。

8. 并行任務(wù)

使用 async.js 來運行任務(wù)。并行任務(wù)對 API 的性能有很大改善，它減少了延遲并最大限度地減少了阻塞操作。

并行意味著同時運行多個任務(wù)。當(dāng)你并行任務(wù)的時候，不需要控制程序的執(zhí)行順序。

以下是一個數(shù)組異步并行的簡單例子：

const async = require("async");
// 使用對象而不是數(shù)組
async.parallel({
  task1: function(callback) {
    setTimeout(function() {
      console.log('Task One');
      callback(null, 1);
    }, 200);
  },
  task2: function(callback) {
    setTimeout(function() {
      console.log('Task Two');
      callback(null, 2);
    }, 100);
    }
}, function(err, results) {
  console.log(results);
  // 結(jié)果相當(dāng)于: {task2: 2, task1: 1}
});

在以上例子中，我們使用了 async.js 以異步的形式執(zhí)行了兩個任務(wù)。task 1 需要 200 毫秒完成，但是 task 2 不需要等待 task 1 完成后再執(zhí)行 – 它在設(shè)定的 100 毫秒后執(zhí)行。

并行任務(wù)對 API 的性能有很大的影響。它減少了延遲并最大限度地減少了阻塞操作。

9. 使用 Redis 緩存應(yīng)用

Redis 是 Memcached 的高級版本。它通過在服務(wù)器的主內(nèi)存中存儲和檢索數(shù)據(jù)來優(yōu)化 API 響應(yīng)時間。它提高了數(shù)據(jù)庫查詢的性能，也減少了訪問延遲。

在下面的代碼片段中，我們分別調(diào)用了不使用 Redis 和使用 Redis 的 API，并比較了響應(yīng)時間。

響應(yīng)時間差異巨大~ 899.37 毫秒：

以下是不使用 Redis 的 Node：

'use strict';

//定義需要的所有依賴項
const express = require('express');
const responseTime = require('response-time')
const axios = require('axios');

//加載 Express 框架
var app = express();

//創(chuàng)建在響應(yīng)頭中添加 X-Response-Time 的中間件
app.use(responseTime());

const getBook = (req, res) => {
  let isbn = req.query.isbn;
  let url = `https://www.googleapis.com/books/v1/volumes?q=isbn:${isbn}`;
  axios.get(url)
    .then(response => {
      let book = response.data.items
      res.send(book);
    })
    .catch(err => {
      res.send('The book you are looking for is not found !!!');
    });
};

app.get('/book', getBook);

app.listen(3000, function() {
  console.log('Your node is running on port 3000 !!!')
});

以下是使用 Redis 的 Node：

'use strict';

//定義需要的所有依賴項
const express = require('express');
const responseTime = require('response-time')
const axios = require('axios');
const redis = require('redis');
const client = redis.createClient();

//加載 Express 框架
var app = express();

//創(chuàng)建在響應(yīng)頭中添加 X-Response-Time 的中間件
app.use(responseTime());

const getBook = (req, res) => {
  let isbn = req.query.isbn;
  let url = `https://www.googleapis.com/books/v1/volumes?q=isbn:${isbn}`;
  return axios.get(url)
    .then(response => {
      let book = response.data.items;
      //設(shè)置string-key:緩存中的 isbn。以及緩存的內(nèi)容: title
      // 設(shè)置緩存的過期時間為 1 個小時（60分鐘）
      client.setex(isbn, 3600, JSON.stringify(book));

      res.send(book);
    })
    .catch(err => {
      res.send('The book you are looking for is not found !!!');
    });
};

const getCache = (req, res) => {
  let isbn = req.query.isbn;
  //對照服務(wù)器的 redis 檢查緩存數(shù)據(jù)
  client.get(isbn, (err, result) => {
    if (result) {
      res.send(result);
    } else {
      getBook(req, res);
    }
  });
}
app.get('/book', getCache);

app.listen(3000, function() {
  console.log('Your node is running on port 3000 !!!')
)};

總結(jié)

在本指南中，我們了解了如何優(yōu)化 Node.js API 的響應(yīng)時間。

JavaScript 重度依賴函數(shù)，因此，使用異步函數(shù)可以使腳本運行得更快并且不阻塞。

除此之外，我們還可以使用緩存記憶（Redis）、數(shù)據(jù)庫索引、TTFB 和 PM2 集群來提高響應(yīng)速度。

最后請記住，注意路由的安全性并盡可能優(yōu)化路由也很重要。我們不能為了提高 API 響應(yīng)速度而妥協(xié)掉安全性。因此，在 Node.js 中構(gòu)建優(yōu)化的 API 時，應(yīng)該保留所有標(biāo)準(zhǔn)安全檢查。