035.1 Lektion 1

Es ist schwer vorherzusagen, wie viel Zeit Ihr Node.js-Programm für die Bearbeitung einer Anfrage benötigen wird. Einige Anfragen können kurz sein – vielleicht nur eine Schleife durch Variablen im Speicher und deren Rückgabe –, während andere zeitaufwändige Aktivitäten erfordern, wie das Öffnen einer Datei im System oder das Auslösen einer Abfrage an eine Datenbank und das Warten auf die Ergebnisse. Wie geht Node.js mit dieser Unsicherheit um? Die Event Loop (Ereignisschleife) ist die Antwort.

Stellen Sie sich einen Koch vor: Das Backen eines Kuchens nimmt viel Zeit in Anspruch — der Koch wartet aber nicht die Backzeit im Ofen ab, um erst dann Kaffee zu kochen. Er kocht den Kaffee parallel und erledigt andere Aufgaben. Dabei prüft er ständig, wann der jeweils richtige Zeitpunkt ist, sich auf eine bestimmte Aufgabe zu konzentrieren.

Die Event Loop ist wie ein Koch, der ständig die Aktivitäten in seiner Umgebung im Blick hat. In Node.js prüft ein Event-Checker permanent, ob Operationen abgeschlossen sind oder darauf warten, von der JavaScript-Engine verarbeitet zu werden.

Bei diesem Ansatz blockiert eine asynchrone, lange Operation nicht andere, schnellere Operationen, die später folgen. Das liegt daran, dass der Mechanismus der Event Loop prüft, ob die lange Aufgabe, z.B. eine I/O-Operation, bereits abgeschlossen ist. Ist dies nicht der Fall, kann Node.js mit der Bearbeitung anderer Aufgaben fortfahren. Sobald die Hintergrundaufgabe abgeschlossen ist, werden die Ergebnisse zurückgegeben, und die auf Node.js aufsetzende Anwendung kann eine Triggerfunktion (Callback) verwenden, um die Ausgabe weiter zu verarbeiten.

Da Node.js mehrere Threads im Gegensatz zu anderen Umgebungen vermeidet, wird es als Single-Threaded Environment bezeichnet, und daher ist ein nicht-blockierender Ansatz von größter Bedeutung. Aus diesem Grund verwendet Node.js eine Event Loop. Für rechenintensive Aufgaben gehört Node.js jedoch nicht zu den besten Tools: Es gibt andere Programmiersprachen und Umgebungen, die diese Probleme effizienter lösen.

In den folgenden Abschnitten werden wir uns die Callback-Funktionen genauer ansehen. Machen Sie sich zunächst klar, dass Callback-Funktionen Auslöser sind, die nach Abschluss einer vordefinierten Operation ausgeführt werden.

Es ist ein bewährtes Verfahren, komplexe Funktionen und umfangreiche Codeteile in kleinere Teile zu zerlegen. Diese Modularisierung hilft dabei, die Codebasis besser zu organisieren, die Implementierungen zu abstrahieren und komplizierte strukturelle Probleme zu vermeiden. Dafür verpacken Programmierer Codeblöcke, die von anderen internen oder externen Codeteilen verwendet werden können.

Nehmen wir das Beispiel eines Programms, das das Volumen einer Kugel berechnet. Öffnen Sie Ihren Texteditor und erstellen Sie eine Datei mit dem Namen volumeCalculator.js, die das folgende JavaScript enthält:

Führen Sie nun die Datei mit Node aus:

Wir nutzen eine einfache Funktion, um das Volumen einer Kugel auf der Grundlage ihres Radius zu berechnen. Nehmen wir nun an, wir müssen auch das Volumen eines Zylinders, Kegels usw. berechnen: Wir merken schnell, dass diese spezifischen Funktionen der Datei volumeCalculator.js hinzugefügt werden müssen, die so zu einer umfangreichen Sammlung von Funktionen werden kann. Zur besseren Strukturierung nutzen Module als Pakete von separatem Code.

Dazu erstellen Sie eine separate Datei mit dem Namen polyhedrons.js:

Löschen Sie nun in der Datei volumeCalculator.js den alten Code und ersetzen Sie ihn durch diesen Schnipsel:

Und dann führen Sie die Datei in der Node.js-Umgebung aus:

In der Node.js-Umgebung wird jede Quellcodedatei als Modul betrachtet, aber das Wort “module” in Node.js steht für ein Code-Paket, das wie im vorigen Beispiel verpackt ist. Durch die Verwendung von Modulen haben wir die Volumenfunktionen aus der Hauptdatei volumeCalculator.js herausgezogen, was deren Größe verringert und Unit-Tests erleichtert, was wiederum bei der Entwicklung von Anwendungen gute Praxis ist.

Nachdem wir nun wissen, wie Module in Node.js verwendet werden, können wir eines der wichtigsten Werkzeuge nutzen: den Node Package Manager (NPM).

Eine der Hauptaufgaben von NPM ist es, externe Module zu verwalten, herunterzuladen und im Projekt oder im Betriebssystem zu installieren. Sie initialisieren ein Node-Repository mit dem Befehl npm init.

NPM stellt Standardfragen nach dem Namen Ihres Repositorys, der Version, der Beschreibung und so weiter. Sie können diese Schritte mit npm init --yes überspringen. Der Befehl erzeugt dann automatisch eine Datei package.json, die die Eigenschaften Ihres Projekts/Moduls beschreibt.

Öffnen Sie die Datei package.json in Ihrem bevorzugten Texteditor und Sie sehen eine JSON-Datei, die Eigenschaften wie Schlüsselwörter, Skriptbefehle zur Verwendung mit NPM, einen Namen usw. enthält.

Eine dieser Eigenschaften sind die Abhängigkeiten, die in Ihrem lokalen Repository installiert sind. NPM fügt den Namen und die Version dieser Abhängigkeiten in die Datei package.json ein, zusammen mit package-lock.json, einer weiteren Datei, die von NPM als Fallback verwendet wird, falls package.json fehlschlägt.

Geben Sie Folgendes in Ihr Terminal ein:

Das Flag i ist eine Abkürzung für das Argument install. Wenn Sie mit dem Internet verbunden sind, sucht NPM im Remote-Repository von Node.js nach einem Modul namens dayjs, lädt es herunter und installiert es lokal. NPM fügt diese Abhängigkeit auch zu Ihren Dateien package.json und package-lock.json hinzu. Sie sehen nun ein Verzeichnis namens node_modules, das das installierte sowie weitere Module enthält, falls diese benötigt werden. Das Verzeichnis node_modules enthält den eigentlichen Code, der verwendet wird, wenn die Bibliothek importiert und aufgerufen wird. Allerdings wird dieser Ordner in Versionierungssystemen wie Git nicht gespeichert, da die Datei package.json alle verwendeten Abhängigkeiten enthält. Ein anderer User nutzt die Datei package.json und führt einfach npm install auf seinem eigenen Rechner aus, wo NPM ein Verzeichnis node_modules mit allen Abhängigkeiten in der package.json erstellt und so die Versionskontrolle für Tausende von Dateien im NPM-Repository vermeidet.

Nachdem das Modul dayjs im lokalen Verzeichnis installiert ist, öffnen Sie die Node.js-Konsole und geben Sie die folgenden Zeilen ein:

Das Modul dayjs wird mit dem Schlüsselwort require geladen. Wenn eine Methode des Moduls aufgerufen wird, nimmt die Bibliothek die aktuelle Systemzeit und gibt sie im angegebenen Format aus:

Dies ist der gleiche Mechanismus wie im vorherigen Beispiel, bei dem die Node.js-Laufzeitumgebung die Funktion eines Drittanbieters in den Code lädt.

Da Node.js das Backend von Webanwendungen steuert, besteht eine seiner Hauptaufgaben darin, HTTP-Anfragen zu verarbeiten.

Hier eine Zusammenfassung, wie Webserver eingehende HTTP-Anfragen behandeln. Die Funktion des Servers besteht darin, auf Anfragen zu warten, so schnell wie möglich die passende Antwort zu ermitteln und diese an den Absender der Anfrage zurückzusenden. Die Anwendung muss eine vom Benutzer ausgelöste eingehende HTTP-Anforderung empfangen, die Anforderung analysieren, die Berechnung durchführen, die Antwort generieren und sie zurücksenden. Ein HTTP-Modul wie Node.js vereinfacht diese Schritte und erlaubt es Ihnen, sich auf die Entwicklung der eigentlichen Anwendung zu konzentrieren.

Betrachten Sie das folgende Beispiel, das diese sehr grundlegende Funktionalität implementiert:

Speichern Sie diese Inhalte in einer Datei mit dem Namen basic_server.js und führen Sie sie mit einem node-Befehl aus. Das Terminal, auf dem Node.js läuft, wird die folgende Meldung anzeigen:

Rufen Sie dann die folgende URL in Ihrem Webbrowser auf: http://127.0.0.1:3000/numbers?a=2&b=17

Node.js ist ein Webserver, der auf Ihrem Computer läuft und zwei Module verwendet: http und url. Das http-Modul richtet einen einfachen HTTP-Server ein, verarbeitet die eingehenden Webanfragen und übergibt sie an unseren einfachen Anwendungscode. Das URL-Modul analysiert die in der URL übergebenen Argumente, wandelt sie in ein Ganzzahlformat um und führt die Additionsoperation durch. Das http-Modul sendet dann die Antwort als Text an den Webbrowser.

In einer echten Webanwendung wird Node.js üblicherweise verwendet, um Daten zu verarbeiten und abzurufen — in der Regel aus einer Datenbank — und die verarbeiteten Informationen an das Frontend zur Anzeige zurückzugeben. Die Basisanwendung in dieser Lektion zeigt jedoch kurz und bündig, wie Node.js Module verwendet, um Webanfragen als Webserver zu bearbeiten.