簡介

node遵循的是單線程單進(jìn)程的模式，node的單線程是指js的引擎只有一個實(shí)例，且在nodejs的主線程中執(zhí)行，同時node以事件驅(qū)動的方式處理IO等異步操作。node的單線程模式，只維持一個主線程，大大減少了線程間切換的開銷。

但是node的單線程使得在主線程不能進(jìn)行CPU密集型操作，否則會阻塞主線程。對于CPU密集型操作，在node中通過child_process可以創(chuàng)建獨(dú)立的子進(jìn)程，父子進(jìn)程通過IPC通信，子進(jìn)程可以是外部應(yīng)用也可以是node子程序，子進(jìn)程執(zhí)行后可以將結(jié)果返回給父進(jìn)程。

此外，node的單線程，以單一進(jìn)程運(yùn)行，因此無法利用多核CPU以及其他資源，為了調(diào)度多核CPU等資源，node還提供了cluster模塊，利用多核CPU的資源，使得可以通過一串node子進(jìn)程去處理負(fù)載任務(wù)，同時保證一定的負(fù)載均衡型。

本文的結(jié)構(gòu)安排如下：

• node中的單線程和單進(jìn)程
• node中的child_process模塊實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程
• node中的cluster模塊
• 總結(jié)

原文的地址，在我的博客中：https://github.com/forthealll...

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一、node中的單線程和單進(jìn)程

首先要理解的概念是，node的單線程和單進(jìn)程的模式。node的單線程于其他語言的多線程模式相比，減小了線程間切換的開銷，以及在寫node代碼的時候不用考慮鎖以及線程池的問題。node宣稱的單線程模式，比其他語言更加適合IO密集型操作。那么一個經(jīng)典的問題是：

node是真的單線程的嗎？

提到node，我們就可以立刻想到單線程、異步IO、事件驅(qū)動等字眼。首先要明確的是node真的是單線程的嗎，如果是單線程的，那么異步IO，以及定時事件（setTimeout、setInterval等）又是在哪里被執(zhí)行的。

嚴(yán)格來說，node并不是單線程的。node中存在著多種線程，包括：

• js引擎執(zhí)行的線程
• 定時器線程(setTimeout, setInterval)
• 異步http線程(ajax)

....

我們平時所說的單線程是指node中只有一個js引擎在主線程上運(yùn)行。其他異步IO和事件驅(qū)動相關(guān)的線程通過libuv來實(shí)現(xiàn)內(nèi)部的線程池和線程調(diào)度。libv中存在了一個Event Loop，通過Event Loop來切換實(shí)現(xiàn)類似于多線程的效果。簡單的來講Event Loop就是維持一個執(zhí)行棧和一個事件隊(duì)列，當(dāng)前執(zhí)行棧中的如果發(fā)現(xiàn)異步IO以及定時器等函數(shù)，就會把這些異步回調(diào)函數(shù)放入到事件隊(duì)列中。當(dāng)前執(zhí)行棧執(zhí)行完成后，從事件隊(duì)列中，按照一定的順序執(zhí)行事件隊(duì)列中的異步回調(diào)函數(shù)。

上圖中從執(zhí)行棧，到事件隊(duì)列，最后事件隊(duì)列中按照一定的順序執(zhí)行回調(diào)函數(shù)，整個過程就是一個簡化版的Event Loop。此外回調(diào)函數(shù)執(zhí)行時，同樣會生成一個執(zhí)行棧，在回調(diào)函數(shù)里面還有可能嵌套異步的函數(shù)，也就是說執(zhí)行棧存在著嵌套。

也就是說node中的單線程是指js引擎只在唯一的主線程上運(yùn)行，其他的異步操作，也是有獨(dú)立的線程去執(zhí)行，通過libv的Event Loop實(shí)現(xiàn)了類似于多線程的上下文切換以及線程池調(diào)度。線程是最小的進(jìn)程，因此node也是單進(jìn)程的。這樣就解釋了為什么node是單線程和單進(jìn)程的。

二、node中的child_process模塊實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程

node是單進(jìn)程的，必然存在一個問題，就是無法充分利用cpu等資源。node提供了child_process模塊來實(shí)現(xiàn)子進(jìn)程，從而實(shí)現(xiàn)一個廣義上的多進(jìn)程的模式。通過child_process模塊，可以實(shí)現(xiàn)1個主進(jìn)程，多個子進(jìn)程的模式，主進(jìn)程稱為master進(jìn)程，子進(jìn)程又稱工作進(jìn)程。在子進(jìn)程中不僅可以調(diào)用其他node程序，也可以執(zhí)行非node程序以及shell命令等等，執(zhí)行完子進(jìn)程后，以流或者回調(diào)的形式返回。

1、child_process模塊提供的API

child_process提供了4個方法，用于新建子進(jìn)程，這4個方法分別為spawn、execFile、exec和fork。所有的方法都是異步的，可以用一張圖來描述這4個方法的區(qū)別。

上圖可以展示出這4個方法的區(qū)別，我們也可以簡要介紹這4中方法的不同。

• spawn ： 子進(jìn)程中執(zhí)行的是非node程序，提供一組參數(shù)后，執(zhí)行的結(jié)果以流的形式返回。
• execFile：子進(jìn)程中執(zhí)行的是非node程序，提供一組參數(shù)后，執(zhí)行的結(jié)果以回調(diào)的形式返回。
• exec：子進(jìn)程執(zhí)行的是非node程序，傳入一串shell命令，執(zhí)行后結(jié)果以回調(diào)的形式返回，與execFile
  不同的是exec可以直接執(zhí)行一串shell命令。
• fork：子進(jìn)程執(zhí)行的是node程序，提供一組參數(shù)后，執(zhí)行的結(jié)果以流的形式返回，與spawn不同，fork生成的子進(jìn)程只能執(zhí)行node應(yīng)用。接下來的小節(jié)將具體的介紹這一些方法。

2、execFile和exec

我們首先比較execFile和exec的區(qū)別，這兩個方法的相同點(diǎn)：

執(zhí)行的是非node應(yīng)用，且執(zhí)行后的結(jié)果以回調(diào)函數(shù)的形式返回。

不同點(diǎn)是：

exec是直接執(zhí)行的一段shell命令，而execFile是執(zhí)行的一個應(yīng)用

舉例來說，echo是UNIX系統(tǒng)的一個自帶命令，我們直接可以在命令行執(zhí)行：

echo hello world

結(jié)果，在命令行中會打印出hello world.

(1) 通過exec來實(shí)現(xiàn)

新建一個main.js文件中，如果要使用exec方法，那么則在該文件中寫入：

let cp=require('child_process');
cp.exec('echo hello world',function(err,stdout){
  console.log(stdout);
});

執(zhí)行這個main.js，結(jié)果會輸出hello world。我們發(fā)現(xiàn)exec的第一個參數(shù)，跟shell命令完全相似。

(2)通過execFile來實(shí)現(xiàn)

let cp=require('child_process');
cp.execFile('echo',['hello','world'],function(err,stdout){
   console.log(stdout);
});

execFile類似于執(zhí)行了名為echo的應(yīng)用，然后傳入?yún)?shù)。execFlie會在process.env.PATH的路徑中依次尋找是否有名為'echo'的應(yīng)用，找到后就會執(zhí)行。默認(rèn)的process.env.PATH路徑中包含了'usr/local/bin',而這個'usr/local/bin'目錄中就存在了這個名為'echo'的程序，傳入hello和world兩個參數(shù)，執(zhí)行后返回。

(3)安全性分析

像exec那樣，可以直接執(zhí)行一段shell是極為不安全的，比如有這么一段shell：

echo hello world;rm -rf

通過exec是可以直接執(zhí)行的，rm -rf會刪除當(dāng)前目錄下的文件。exec正如命令行一樣，執(zhí)行的等級很高，執(zhí)行后會出現(xiàn)安全性的問題，而execFile不同：

execFile('echo',['hello','world',';rm -rf'])

在傳入?yún)?shù)的同時，會檢測傳入實(shí)參執(zhí)行的安全性，如果存在安全性問題，會拋出異常。除了execFile外，spawn和fork也都不能直接執(zhí)行shell，因此安全性較高。

3、spawn

spawn同樣是用于執(zhí)行非node應(yīng)用，且不能直接執(zhí)行shell，與execFile相比，spawn執(zhí)行應(yīng)用后的結(jié)果并不是執(zhí)行完成后，一次性的輸出的，而是以流的形式輸出。對于大批量的數(shù)據(jù)輸出，通過流的形式可以介紹內(nèi)存的使用。

我們用一個文件的排序和去重來舉例：

上述圖片示意圖中，首先讀取的input.txt文件中有acba未經(jīng)排序的文字，通過sort程序后可以實(shí)現(xiàn)排序功能，輸出為aabc，最后通過uniq程序可以去重，得到abc。我們可以用spawn流形式的輸入輸出來實(shí)現(xiàn)上述功能：

let cp=require('child_process');
let cat=cp.spawn('cat',['input.txt']);
let sort=cp.spawn('sort');
let uniq=cp.spawn('uniq');
cat.stdout.pipe(sort.stdin);
sort.stdout.pipe(uniq.stdin);
uniq.stdout.pipe(process.stdout);
console.log(process.stdout);

執(zhí)行后，最后的結(jié)果將輸入到process.stdout中。如果input.txt這個文件較大，那么以流的形式輸入輸出可以明顯減小內(nèi)存的占用，通過設(shè)置緩沖區(qū)的形式，減小內(nèi)存占用的同時也可以提高輸入輸出的效率。

4、fork

在javascript中，在處理大量計算的任務(wù)方面，HTML里面通過web work來實(shí)現(xiàn)，使得任務(wù)脫離了主線程。在node中使用了一種內(nèi)置于父進(jìn)程和子進(jìn)程之間的通信來處理該問題，降低了大數(shù)據(jù)運(yùn)行的壓力。node中提供了fork方法，通過fork方法在單獨(dú)的進(jìn)程中執(zhí)行node程序，并且通過父子間的通信，子進(jìn)程接受父進(jìn)程的信息，并將執(zhí)行后的結(jié)果返回給父進(jìn)程。

使用fork方法，可以在父進(jìn)程和子進(jìn)程之間開放一個IPC通道，使得不同的node進(jìn)程間可以進(jìn)行消息通信。

在子進(jìn)程中：

通過process.on('message')和process.send()的機(jī)制來接收和發(fā)送消息。

在父進(jìn)程中：

通過child.on('message')和process.send()的機(jī)制來接收和發(fā)送消息。

具體例子，在child.js中：

process.on('message',function(msg){
   process.send(msg)
})

在parent.js中：

let cp=require('child_process');
let child=cp.fork('./child');
child.on('message',function(msg){
  console.log('got a message is',msg);
});
child.send('hello world');

執(zhí)行parent.js會在命令行輸出：

got a message is hello world

中斷父子間通信的方式，可以通過在父進(jìn)程中調(diào)用：

child.disconnect()

來實(shí)現(xiàn)斷開父子間IPC通信。

5、同步執(zhí)行的子進(jìn)程

exec、execFile、spawn和fork執(zhí)行的子進(jìn)程都是默認(rèn)異步的，子進(jìn)程的運(yùn)行不會阻塞主進(jìn)程。除此之外，child_process模塊同樣也提供了execFileSync、spawnSync和execSync來實(shí)現(xiàn)同步的方式執(zhí)行子進(jìn)程。

三、node中的cluster模塊

cluster意為集成，集成了兩個方面，第一個方面就是集成了child_process.fork方法創(chuàng)建node子進(jìn)程的方式，第二個方面就是集成了根據(jù)多核CPU創(chuàng)建子進(jìn)程后，自動控制負(fù)載均衡的方式。

我們從官網(wǎng)的例子來看：

const cluster = require('cluster');
const http = require('http');
const numCPUs = require('os').cpus().length;
if (cluster.isMaster) {
  console.log(`主進(jìn)程 ${process.pid} 正在運(yùn)行`);
  // 衍生工作進(jìn)程。
  for (let i = 0; i < numCPUs; i++) {
    cluster.fork();
  }
  cluster.on('exit', (worker, code, signal) => {
    console.log(`工作進(jìn)程 ${worker.process.pid} 已退出`);
  });
} else {
  // 工作進(jìn)程可以共享任何 TCP 連接。
  // 在本例子中，共享的是一個 HTTP 服務(wù)器。
  http.createServer((req, res) => {
    res.writeHead(200);
    res.end('你好世界\n');
  }).listen(8000);
  console.log(`工作進(jìn)程 ${process.pid} 已啟動`);
}

最后輸出的結(jié)果為：

$ node server.js
主進(jìn)程 3596 正在運(yùn)行
工作進(jìn)程 4324 已啟動
工作進(jìn)程 4520 已啟動
工作進(jìn)程 6056 已啟動
工作進(jìn)程 5644 已啟動

我們將master稱為主進(jìn)程，而worker進(jìn)程稱為工作進(jìn)程，利用cluster模塊，使用node封裝好的API、IPC通道和調(diào)度機(jī)可以非常簡單的創(chuàng)建包括一個master進(jìn)程下HTTP代理服務(wù)器 + 多個worker進(jìn)程多個HTTP應(yīng)用服務(wù)器的架構(gòu)。

總結(jié)

本文首先介紹了node的單線程和單進(jìn)程模式，接著從單線程的缺陷觸發(fā)，介紹了node中如何實(shí)現(xiàn)子進(jìn)程的方法，對比了child_process模塊中幾種不同的子進(jìn)程生成方案，最后簡單介紹了內(nèi)置的可以實(shí)現(xiàn)子進(jìn)程以及CPU進(jìn)程負(fù)載均衡的內(nèi)置集成模塊cluster。

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