Node.jsの非同期処理とイベントループ — シングルスレッドで速い理由

Node.jsは「シングルスレッドなのに多くのリクエストをさばける」と説明されます。これは魔法ではありません。Node.jsが得意なのは、ファイル読み込み、HTTP通信、データベースアクセスのような待ち時間の多い処理を、非同期I/Oとイベントループで効率よく扱うことです。

JavaScriptの Promise や async/await 自体は非同期処理の基本で学んだ通りです。この章では、それがNode.jsの実行環境でどう動くのかを見ていきます。

学習者

await って書くと待っているように見えます。なのにNode.js全体は止まらない、というのがまだピンと来ていません。

先生

await で止まるのは、そのasync関数の続きだね。Node.jsプロセス全体が完全停止するわけではない。そこを分けて考えるとイベントループが見えてくるよ。

同期処理と非同期処理

同期処理は、前の処理が終わるまで次に進みません。

console.log('A');
console.log('B');
console.log('C');

一方、非同期処理は「時間のかかる処理を予約して、終わったら続きを実行する」形です。

console.log('A');
 
setTimeout(() => {
  console.log('B');
}, 0);
 
console.log('C');

出力は A、C、B の順になります。setTimeout(..., 0) は「即座に割り込む」ではなく、「今の同期処理が終わったあと、タイマーの順番が来たら実行する」という意味です。

イベントループのざっくりした流れ

イベントループは、完了した非同期処理のコールバックを順番に実行する仕組みです。

たとえばHTTPサーバーでは、1つのリクエストがデータベース応答を待っている間に、別のリクエストの受付や処理を進められます。これがNode.jsがI/O中心のWebサーバーと相性がよい理由です。

Promiseとasync/await

Node.jsの標準APIには、Promiseベースのものが増えています。たとえば node:fs/promises の readFile() はPromiseを返します。

import { readFile } from 'node:fs/promises';
 
async function main() {
  const text = await readFile('message.txt', 'utf8');
  console.log(text);
}
 
main().catch((error) => {
  console.error(error);
});

await は、Promiseが解決されるまでそのasync関数の続きを一時停止します。失敗した場合は例外として扱えるため、try/catch と相性がよいです。

import { readFile } from 'node:fs/promises';
 
try {
  const text = await readFile('message.txt', 'utf8');
  console.log(text);
} catch (error) {
  console.error('読み込み失敗:', error);
}

setTimeout — 指定時間後に実行する

setTimeout() は、指定した時間が経ったあとにコールバックを実行します。ブラウザにもありますが、Node.jsでもグローバルに使えます。

構文： setTimeout(callback, delay?, ...args)

戻り値： Timeout オブジェクト。clearTimeout() に渡すとキャンセルできる

const timer = setTimeout((name) => {
  console.log(`Hello, ${name}`);
}, 1000, 'Node.js');
 
// clearTimeout(timer); // キャンセルしたい場合

delay は正確な実行時刻を保証するものではありません。指定時間が経ったあと、イベントループが実行できる状態になってからコールバックが呼ばれます。

setImmediate — 現在の処理の後に回す

setImmediate() は、現在の処理が終わったあと、イベントループの後続フェーズでコールバックを実行します。

構文： setImmediate(callback, ...args)

戻り値： Immediate オブジェクト。clearImmediate() に渡すとキャンセルできる

setImmediate(() => {
  console.log('immediate');
});
 
console.log('sync');

出力は通常 sync、immediate の順です。setTimeout(..., 0) と似ていますが、イベントループのフェーズが異なるため、I/Oコールバック内などでは順序の見え方が変わることがあります。

process.nextTick — 次のイベントループより前に実行する

process.nextTick() は、現在の同期処理が終わった直後、イベントループが次のフェーズへ進む前にコールバックを実行します。

構文： process.nextTick(callback, ...args)

戻り値： undefined

process.nextTick(() => {
  console.log('nextTick');
});
 
Promise.resolve().then(() => {
  console.log('promise');
});
 
setTimeout(() => {
  console.log('timeout');
}, 0);
 
console.log('sync');

process.nextTick() は非常に優先度が高いキューです。便利ですが、再帰的に大量の nextTick を積むとイベントループが次へ進めず、I/O処理を遅らせます。

queueMicrotask — マイクロタスクを予約する

queueMicrotask() は、マイクロタスクキューにコールバックを追加します。Promiseの then() に近いタイミングで実行されます。

構文： queueMicrotask(callback)

戻り値： undefined

queueMicrotask(() => {
  console.log('microtask');
});
 
console.log('sync');

出力は sync、microtask の順です。Node.jsでは process.nextTick() とマイクロタスクの関係もありますが、初学者の段階では「同期処理の後、タイマーなどより前に処理される小さな予約」と捉えるとよいです。

実務で見る順序の考え方

細かい仕様を暗記するより、まず次の優先順位で考えると実務では読みやすくなります。

イベントループを詰まらせるコード

Node.jsでは、長時間終わらない同期処理がイベントループを止めます。

// 悪い例: 長時間CPUを占有する
const start = Date.now();
 
while (Date.now() - start < 5000) {
  // 5秒間ループし続ける
}
 
console.log('done');

この5秒間、他のリクエストの処理やタイマーの実行も遅れます。CPUを多く使う処理は、処理を分割する、別プロセスへ逃がす、Worker Threadsを検討するなどの設計が必要です。

この章のまとめ

Node.jsの非同期処理は、イベントループとI/O待ちの扱いを理解すると読みやすくなります。

• Node.jsはI/O待ちの多い処理を非同期に扱うのが得意
• await はasync関数の続きを待たせるが、Node.js全体を止めるわけではない
• setTimeout() は指定時間後にコールバックを予約する
• setImmediate() は現在の処理の後にコールバックを予約する
• process.nextTick() はイベントループより前に実行されるため、多用に注意する
• CPUを占有する同期処理はイベントループを詰まらせる

次章では、非同期処理で失敗したときにどう扱うか、Node.jsのエラーハンドリングを見ていきます。

参考リンク

• Node.js Learn: The Node.js Event Loop
• Node.js API: Timers（英語）
• Node.js API: Process（英語）
• JavaScript本: 非同期処理の基本

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