Node.js中的多进程和多线程实例分析


本篇内容主要讲解“Node.js中的多进程和多线程实例分析”,感兴趣的朋友不妨来看看。本文介绍的方法操作简单快捷,实用性强。下面就让小编来带大家学习“Node.js中的多进程和多线程实例分析”吧!我们都知道 Node.js 采用的是单线程、基于事件驱动的异步 I/O 模型,其特性决定了它无法利用 CPU 多核的优势,也不善于完成一些非 I/O 类型的操作(比如执行脚本、AI 计算、图像处理等),为了解决此类问题,Node.js 提供了常规的多进(线程)方案。
我们可使用 child_process 模块创建 Node.js 的子进程,来完成一些特殊的任务(比如执行脚本),该模块主要提供了 execexecFileforkspwan 等方法,下面我们就简单介绍下这些方法的使用。该方法根据 options.shell 指定的可执行文件处理命令字符串,在命令的执行过程中缓存其输出,直到命令执行完成后,再将执行结果以回调函数参数的形式返回。该方法的参数解释如下:command:将要执行的命令(比如 ls -al);options:参数设置(可不指定),相关属性如下:cwd:子进程的当前工作目录,默认取 process.cwd() 的值;env:环境变量设置(为键值对对象),默认取免费云主机域名 process.env 的值;encoding:字符编码,默认值为:utf8shell:处理命令字符串的可执行文件,Unix默认值/bin/shWindows 上默认值取 process.env.ComSpec 的值(如为空则为 cmd.exe);比如:运行上面的例子将输出 Hello World!,这等同于子进程执行了 python -c "print('Hello World!')" 命令,因此在使用该属性时需要注意,所指定的可执行文件必须支持通过 -c 选项来执行相关语句。注:碰巧 Node.js 也支持 -c 选项,但它等同于 --check 选项,只用来检测指定的脚本是否存在语法错误,并不会执行相关脚本。signal:使用指定的 AbortSignal 终止子进程,该属性在 v14.17.0 以上可用,比如:上例中,我们可通过调用 ac.abort() 来提前终止子进程。timeout:子进程的超时时间(如果该属性的值大于 0,那么当子进程运行时间超过指定值时,将会给子进程发送属性 killSignal 指定的终止信号),单位毫米,默认值为 0maxBuffer:stdout 或 stderr 所允许的最大缓存(二进制),如果超出,子进程将会被杀死,并且将会截断任何输出,默认值为 1024 * 1024killSignal:子进程终止信号,默认值为 SIGTERMuid:执行子进程的 uidgid:执行子进程的 gidwindowsHide:是否隐藏子进程的控制台窗口,常用于 Windows 系统,默认值为 falsecallback:回调函数,包含 errorstdoutstderr 三个参数:error:如果命令行执行成功,值为 null,否则值为 Error 的一个实例,其中 error.code 为子进程的退出的错误码,error.signal 为子进程终止的信号;stdoutstderr:子进程的 stdoutstderr,按照 encoding 属性的值进行编码,如果 encoding 的值为 buffer,或者 stdoutstderr 的值是一个无法识别的字符串,将按照 buffer 进行编码。该方法的功能类似于 exec,唯一的区别是 execFile 在默认情况下直接用指定的可执行文件(即参数 file 的值)处理命令,这使得其效率略高于 exec(如果查看 shell 的处理逻辑,笔者感觉这效率可忽略不计)。该方法的参数解释如下:file:可执行文件的名字或路径;args:可执行文件的参数列表;options:参数设置(可不指定),相关属性如下:shell:值为 false 时表示直接用指定的可执行文件(即参数 file 的值)处理命令,值为 true 或其它字符串时,作用等同于 exec 中的 shell,默认值为 falsewindowsVerbatimArguments:在 Windows 中是否对参数进行引号或转义处理,在 Unix 中将忽略该属性,默认值为 false;属性 cwdenvencodingtimeoutmaxBufferkillSignaluidgidwindowsHidesignal 在上文中已介绍,此处不再重述。callback:回调函数,等同于 exec 中的 callback,此处不再阐述。该方法用于创建新的 Node.js 实例以执行指定的 Node.js 脚本,与父进程之间以 IPC 方式进行通信。该方法的参数解释如下:modulePath:要运行的 Node.js 脚本路径;args:传递给 Node.js 脚本的参数列表;options:参数设置(可不指定),相关属性如:如果指定了该属性,将忽略 slient 的值;必须包含一个值为 ipc 的选项(比如 [0, 1, 2, 'ipc']),否则将抛出异常。detached:参见下文对 spwanoptions.detached 的说明;execPath:创建子进程的可执行文件;execArgv:传递给可执行文件的字符串参数列表,默认取 process.execArgv 的值;serialization:进程间消息的序列号类型,可用值为 jsonadvanced,默认值为 jsonslient: 如果为 true,子进程的 stdinstdoutstderr 将通过管道传递给父进程,否则将继承父进程的 stdinstdoutstderr;默认值为 falsestdio:参见下文对 spwanoptions.stdio 的说明。这里需要注意的是:属性 cwdenvuidgidwindowsVerbatimArgumentssignaltimeoutkillSignal 在上文中已介绍,此处不再重述。该方法为 child_process 模块的基础方法,execexecFilefork 最终都会调用 spawn 来创建子进程。该方法的参数解释如下:command:可执行文件的名字或路径;args:传递给可执行文件的参数列表;options:参数设置(可不指定),相关属性如下:值为字符串时,会将其转换为含有三个项的数组(比如 pipe 被转换为 ['pipe', 'pipe', 'pipe']),可用值为 pipeoverlappedignoreinherit;值为数组时,其中数组的前三项分别代表对 stdinstdoutstderr 的配置,每一项的可用值为 pipeoverlappedignoreinheritipc、Stream 对象、正整数(在父进程打开的文件描述符)、null(如位于数组的前三项,等同于 pipe,否则等同于 ignore)、undefined(如位于数组的前三项,等同于 pipe,否则等同于 ignore)。在 Windows 系统中,父进程退出后,子进程可以继续运行,并且子进程拥有自己的控制台窗口(该特性一旦启动后,在运行过程中将无法更改);在非 Windows 系统中,子进程将作为新进程会话组的组长,此刻不管子进程是否与父进程分离,子进程都可以在父进程退出后继续运行。调用子进程的 unref 方法从而将子进程从父进程的事件循环中剔除;detached 设置为 truestdioignoreargv0:发送给子进程 argv[0] 的值,默认取参数 command 的值;detached:是否允许子进程可以独立于父进程运行(即父进程退出后,子进程可以继续运行),默认值为 false,其值为 true 时,各平台的效果如下所述:需要注意的是,如果子进程需要执行长时间的任务,并且想要父进程提前退出,需要同时满足以下几点:比如下面的例子:stdio:子进程标准输入输出配置,默认值为 pipe,值为字符串或数组:属性 cwdenvuidgidserializationshell(值为 booleanstring)、windowsVerbatimArgumentswindowsHidesignaltimeoutkillSignal 在上文中已介绍,此处不再重述。上文对 child_process 模块中主要方法的使用进行了简短介绍,由于 execSyncexecFileSyncforkSyncspwanSync 方法是 execexecFilespwan 的同步版本,其参数并无任何差异,故不再重述。通过 cluster 模块我们可以创建 Node.js 进程集群,通过 Node.js 进程进群,我们可以更加充分地利用多核的优势,将程序任务分发到不同的进程中以提高程序的执行效率;下面将通过例子为大家介绍 cluster 模块的使用:上例通过 cluster.isPrimary 属性判断(即判断当前进程是否为主进程)将其分为两个部分:为真时,根据 CPU 内核的数量并通过 cluster.fork 调用来创建相应数量的子进程;为假时,创建一个 HTTP server,并且每个 HTTP server 都监听同一个端口(此处为 8000)。运行上面的例子,并在浏览器中访问 http://localhost:8000/,我们会发现每次访问返回的 pid 都不一样,这说明了请求确实被分发到了各个子进程。Node.js 默认采用的负载均衡策略是轮询调度,可通过环境变量 NODE_CLUSTER_SCHED_POLICYcluster.schedulingPolicy 属性来修改其负载均衡策略:另外需要注意的是,虽然每个子进程都创建了 HTTP server,并都监听了同一个端口,但并不代表由这些子进程自由竞争用户请求,因为这样无法保证所有子进程的负载达到均衡。所以正确的流程应该是由主进程监听端口,然后将用户请求根据分发策略转发到具体的子进程进行处理。由于进程之间是相互隔离的,因此进程之间一般通过共享内存、消息传递、管道等机制进行通讯。Node.js 则是通过消息传递来完成父子进程之间的通信,比如下面的例子:运行上面的例子,并访问 http://localhost:8000/,再查看终端,我们会看到类似下面的输出:利用该机制,我们可以监听各子进程的状态,以便在某个子进程出现意外后,能够及时对其进行干预,以保证服务的可用性。cluster 模块的接口非常简单,为了节省篇幅,这里只对 cluster.setupPrimary 方法做一些特别声明,其它方法请查看官方文档:cluster.setupPrimary 调用后,相关设置将同步到在 cluster.settings 属性中,并且每次调用都基于当前 cluster.settings 属性的值;cluster.setupPrimary 调用后,对已运行的子进程没有影响,只影响后续的 cluster.fork 调用;cluster.setupPrimary 调用后,不影响后续传递给 cluster.fork 调用的 env 参数;cluster.setupPrimary 只能在主进程中使用。前文我们对 cluster 模块进行了介绍,通过它我们可以创建 Node.js 进程集群以提高程序的运行效率,但 cluster 基于多进程模型,进程间高成本的切换以及进程间资源的隔离,会随着子进程数量的增加,很容易导致因系统资源紧张而无法响应的问题。为解决此类问题,Node.js 提供了 worker_threads,下面我们通过具体的例子对该模块的使用进行简单介绍:上例展示了 worker_threads 的简单使用,在使用 worker_threads 的过程中,需要注意以下几点:通过 worker_threads.Worker 创建 Worker 实例,其中 Worker 脚本既可以为一个独立的 JavaScript 文件,也可以为字符串,比如上例可修改为:通过 worker_threads.Worker 创建 Worker 实例时,可以通过指定 workerData 的值来设置 Worker 子线程的初始元数据,比如:通过 worker_threads.Worker 创建 Worker 实例时,可通过设置 SHARE_ENV 以实现在 Worker 子线程与主线程之间共享环境变量的需求,比如:不同于 cluster 中进程间的通信机制,worker_threads 采用的 MessageChannel 来进行线程间的通信:Worker 子线程通过 parentPort.postMessage 方法发送消息给主线程,并通过监听 parentPortmessage 事件来处理来自主线程的消息;主线程通过 Worker 子线程实例(此处为 httpWorker,以下均以此代替 Worker 子线程)的 postMessage 方法发送消息给 httpWorker,并通过监听 httpWorkermessage 事件来处理来自 Worker 子线程的消息。在 Node.js 中,无论是 cluster 创建的子进程,还是 worker_threads 创建的 Worker 子线程,它们都拥有属于自己的 V8 实例以及事件循环,所不同的是:子进程之间的内存空间是互相隔离的,而 Worker 子线程共享所属进程的内存空间;子进程之间的切换成本要远远高于 Worker 子线程之间的切换成本。尽管看起来 Worker 子线程比子进程更高效,但 Worker 子线程也有不足的地方,即cluster 提供了负载均衡,而 worker_threads 则需要我们自行完成负载均衡的设计与实现。到此,相信大家对“Node.js中的多进程和多线程实例分析”有了更深的了解,不妨来实际操作一番吧!这里是百云主机网站,更多相关内容可以进入相关频道进行查询,关注我们,继续学习!

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