Nodejs构建Cluster集群多线程Workerthreads

前言

前两天我们介绍了使用 Nodejs 中的 child_process 模块创建多个子进程，同时利用进程间通信的API构建了一个集群式的Web服务器。实际上，你可以通过 cluster 模块更方便的完成这一操作。

但是，cluster 创建的进程之间无法共享内存，通信必须使用 JSON 格式，有一定的局限性和性能问题。如果你不想要进程隔离，可以使用 worker_thread 模块，它允许在一个 Node.js 实例中运行多个应用程序线程。相比创建多个进程更轻量，并且可以共享内存。

进程间通过传输 ArrayBuffer 实例或共享 SharedArrayBuffer 实例来做到这一点，对数据格式没有太多要求。但是要注意，数据中不能包含函数。

Cluster 多进程

我们可以使用 cluster 模块提供的API重构昨天的案例：

// master.js
const cl = require("cluster");
const cpus = require("os").cpus().length;
// 修改默认的 fork() 方法配置
cl.setupPrimary({
exec: 'worker.js'
});
for(let i = 0; i < cpus; i++) {
cl.fork();
};
cl.on('listening', (data) => {
console.log(`listenning on: ${data.id}--${data.process.pid}`);
});
cl.on('exit', (data, code, signal) => {
console.log(`exited: ${data.id}--${data.process.pid}, kill code: $[code], signal: ${signal}`);
cl.fork();
});

子进程依旧使用昨天的代码：

const http = require("http");
const server = http.createServer((req, res) => {
res.writeHead(200, {
"Content-Type": "text/plain"
});
res.end("Hello,World!" + process.pid);
// 抛出异常，捕获后终止进程
throw new Error('throw exception');
}).listen(1337);
// 捕获异常后终止进程
process.on('uncaughtException', (err) => {
// 停止接收新的连接
server.close((data) => {
console.log(`worker: ${process.pid} is stopping!`);
process.exit(1);
})
// 避免长连接请求长时间无法终止，5s后自动终止
setTimeout(() => {
process.exit(1);
}, 5000)
});

执行 node master.js，会得到与昨天利用 child_process 模块创建子进程集群相同的效果。

同样，你可以使用官方推荐的写法，利用 cluster.isPrimary 和 cluster.isWorker 来判断当前进程是否为主进程：

const cluster = require('node:cluster');
const http = require('node:http');
const numCPUs = require('node:os').cpus().length;
const process = require('node:process');
if (cluster.isPrimary) {
console.log(`Primary ${process.pid} is running`);
// Fork workers.
for (let i = 0; i < numCPUs; i++) {
cluster.fork();
}
cluster.on('exit', (worker, code, signal) => {
console.log(`worker ${worker.process.pid} died`);
});
} else {
// Workers can share any TCP connection
// In this case it is an HTTP server
http.createServer((req, res) => {
res.writeHead(200);
res.end('hello world\n');
}).listen(1337);
console.log(`Worker ${process.pid} started`);
};

实现原理

事实上，cluster 模块就是将 child_process 和 net 模块的API组合起来实现的。cluster启动时，进程会在内部启动TCP服务器。而在调用 cluster.fork() 复制子进程时，会将这个TCP服务器端 Socket 的句柄发送给工作进程。如果进程是通过 cluster.fork() 复制出来的，那么它的环境变量里就存在 NODE_UNIQUE_ID。如果工作进程中存在 listen() 侦听网络端口的调用，它将拿到该句柄，再通过 SO_REUSEADDR 端口重用，从而实现多个子进程共享端口。对于正常方式启动的进程，则不存在句柄共享和传递等过程。

在 cluster 内部隐式创建TCP服务器的方式对使用者是透明的，你不需要自己手动去实现句柄的传递，但也正是因此，它无法像使用 child_process 那样灵活。在 child_process 中你可以自行控制句柄的传送，因此可以灵活地控制工作进程，甚至控制多组工作进程。

cluster事件

Event: disconnect 主进程和工作进程之间IPC通道断开后会触发该事件。
Event: exit 有工作进程退出时触发该事件。
Event: fork 复制一个工作进程后触发该事件。
Event: listening 工作进程中调用 listen() 后，发送该消息给主进程，主进程收到后，触发该事件。
Event: message
Event: online fork好一个工作进程后，工作进程主动发送该消息给主进程，主进程收到消息后，触发该事件。
Event: setup .setupPrimary() 方法执行后触发

? 这些事件大多跟 child_process 模块的事件相关，在进程间消息传递的基础上完成的封装。

使用 Node 构建集群能够充分利用多核CPU的计算性能，而 child_process 模块的进程间通信和多种事件能够极大提升Node的稳定性。但进程间无法共享资源，进程间通信有局限性和性能问题。此时就需要引入更轻量级的线程了。

Worker threads多线程

V8 多线程模型

众所周知，JavaScript 在运行时是单线程的。但 JavaScript 的 Runtime V8 引擎却不是单线程的。大致包括以下几个线程：

JavaScript 主线程：编译、执行代码。
编译线程：当主线程在执行时，编译线程可以优化代码。
Profiler 线程：记录方法耗时的线程。
其它线程：比如支持并行 GC 的多线程。
libuv线程池，默认四个线程，全局共享，可以将异步操作和计算密集任务交给它执行。

对于 Node 来说，crypto 这种 CPU 密集和 fs 这种 I/O 密集的任务是在 libuv线程池 中进行的。其执行模型是单独创建一个进程，在这个进程中同步执行任务，然后将结果返回到 Event Loop 中，Event Loop 可以通过回调函数获取并使用结果。

const fs = require("fs");
fs.writeFile('./target.txt', 'hello Node.js', (err) => {
if (err) throw err;
console.log('文件已被保存');
});

使用非阻塞方法，长耗时的方法不会阻塞主进程之后的代码，只需告诉 Worker Pool 去执行该命令，并将结果返回给预先设置好的回调函数，在计算完成时触发即可。

? 由于 Worker Pool 运行在 libuv线程池 中，主线程的 Event Loop 不会被阻塞。能够充分利用 CPU 资源。

多线程支持

Node v10.5.0 提供了 Worker threads 模块，开始支持多线程编程。在创建出的每个工作线程中，都会包含 V8 和 libuv，即都包含Event Loop：

你可以通过下面这段简单的代码来体验一下：

// main.js
const { Worker, isMainThread } = require('worker_threads');
if (isMainThread) {
console.log("I'm main thread: ", isMainThread);
// create subThread
new Worker(__filename);
}
else {
console.log("I'm not main thread: ", isMainThread);
// subThread destroy
}

我们在主线程中调用new方法创建了一个子线程，子线程执行完自动销毁。最后执行结果如下：

? 合理使用子线程，你能充分调用和分配资源。对于有计算密集型需求的应用，这是一个重要的优化手段。另外，由于频繁地创建、销毁一个线程的开销很大，你可以创建线程池来解决这个问题。

总结

通过构建集群，你能够充分调用CPU资源，赋予Node更强劲的性能。而利用多线程模型，将长耗时的任务交由子线程来处理，你能合理分配程序运行资源。

目前为止，我们介绍完了 Node 的网络、IO、进程模块，还剩下异步编程和Event Loop两个重点。另外，今天在看 Node 文档时发现 Node v19 刚刚发布了，v18 即将成为稳定版

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