Node.js进程与线程：下篇

2023-11-29 20:51:58

Node.js是单线程吗？
Node.js 做耗时的计算时候，如何避免阻塞？
Node.js如何实现多进程的开启和关闭？
Node.js可以创建线程吗？

进程

进程Process是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础，进程是线程的容器。进程是资源分配的最小单位。我们启动一个服务、运行一个实例，就是开一个服务进程，例如Java 里的JVM本身就是一个进程，Node.js里通过node app.js开启一个服务进程，多进程就是进程的复制（fork），fork出来的每个进程都拥有自己的独立空间地址、数据栈，一个进程无法访问另外一个进程里定义的变量、数据结构，只有建立了IPC通信，进程之间才可数据共享。

// Node.js开启服务进程
const http = require('http');	
const server = http.createServer();	
server.listen(3000,()=>{	
    process.title='node process';	
    console.log('进程id', process.pid)

线程

线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，首先我们要清楚线程是隶属于进程的，被包含于进程之中。一个线程只能隶属于一个进程，但是一个进程是可以拥有多个线程的，单线程就是一个进程只开一个线程。

Node.js中的进程与线程

Web业务开发中，如果你有高并发应用场景，那么Node.js会是你不错的选择。
在单核CPU系统上我们采用“单进程 + 单线程”的模式来开发，在多核CPU系统上，我们可以通过 child_process开启多个进程（Node.js在v0.8版本之后新增了Cluster来实现多进程架构），即“多进程 + 单线程”模式。
注意：开启多进程不是为了解决高并发，主要是解决了单进程模式下Node.js的CPU利用率不足的情况，以便能够充分利用多核CPU的性能。

1）process 模块
Node.js中的进程Process是一个全局对象，无需require便可直接使用，它给我们提供了当前进程中的一些相关信息。
部分常用到功能点：

process.env：环境变量，例如通过process.env.NODE_ENV来获取不同环境项目配置信息。
process.nextTick：这个在谈及到EventLoop时经常为会提到。
process.pid：获取当前进程id。
process.ppid：当前进程对应的父进程id。
process.cwd()：获取当前进程的工作目录。
process.platform：获取当前进程运行的操作系统平台。
process.uptime()：当前进程已运行时间，例如：pm2守护进程的uptime值。
进程事件：process.on(‘uncaughtException’, cb) 捕获异常信息、process.on(‘exit’, cb）进程退出监听。
三个标准流：process.stdout标准输出、process.stdin标准输入、process.stderr标准错误输出。
process.title：指定进程名称，有时候我们需要给进程指定一个名称。

2）child_process模块
child_process是Node.js的内置模块，常用函数：

child_process.spawn()：适用于返回大量数据，例如图像处理、二进制数据处理。
child_process.exec()：适用于小量数据，maxBuffer属性默认值为200 * 1024，超出这个默认值将会导致程序崩溃，数据量过大时可采用spawn。
child_process.execFile()：类似于child_process.exec()，区别是不能通过shell来执行，不支持像I/O重定向和文件查找这样的行为。
child_process.fork()：衍生新的进程，进程之间是相互独立的，每个进程都有自己的V8实例、内存，系统资源是有限的，不建议衍生太多的子进程出来，通长根据系统CPU 核心数来设置。

// fork开启子进程
const http = require('http');	
const fork = require('child_process').fork;	
const server = http.createServer((req, res) => {	
    if(req.url == '/compute'){	
        const compute = fork('./fork_compute.js');	
        compute.send('开启一个新的子进程');	
        // 当一个子进程使用process.send()发送消息时会触发'message'事件	
        compute.on('message', sum => {	
            res.end(`Sum is ${sum}`);	
            compute.kill();	
        });	
        // 子进程监听到一些错误消息退出	
        compute.on('close', (code, signal) => {	
            console.log(`收到close事件，子进程收到信号 ${signal} 而终止，退出码 ${code}`);	
            compute.kill();	
        })	
    }else{	
        res.end(`ok`);	
    }	
});	
server.listen(3000, 127.0.0.1, () => {	
    console.log(`server started at http://${127.0.0.1}:${3000}`);	
});

// 创建子进程拆分出来单独进行运算
const computation = () => {	
    let sum = 0;	
    console.info('计算开始');	
    console.time('计算耗时');	
    for (let i = 0; i < 1e10; i++) {	
        sum += i	
    };	
    console.info('计算结束');	
    console.timeEnd('计算耗时');	
    return sum;	
};	
process.on('message', msg => {	
    console.log(msg, 'process.pid', process.pid); // 子进程id	
    const sum = computation();	
    // 如果Node.js进程是通过进程间通信产生的，那么process.send()方法可以用来给父进程发送消息	
    process.send(sum);	
})

3）cluster模块

cluster模块调用fork()方法来创建子进程，该方法与child_process中的fork()是同一个方法。cluster模块采用的是经典的主从模型，Cluster会创建一个master，然后根据你指定的数量复制出多个子进程，可以使用 cluster.isMaster属性来判断当前进程是master还是worker(工作进程)。由master进程来管理所有的子进程，主进程不负责具体的任务处理，主要工作是负责调度和管理。
cluster模块使用内置的负载均衡来更好地处理线程之间的压力，该负载均衡使用了Round-robin算法（也被称之为循环算法）。当使用Round-robin调度策略时，master accepts()所有传入的连接请求，然后将相应的TCP请求处理发送给选中的工作进程（该方式仍然通过IPC来进行通信）。
如果多个Node.js进程监听同一个端口时会出现"Error: listen EADDRIUNS"的错误，而cluster模块为什么可以让多个子进程监听同一个端口呢?原因是master进程内部启动了一个TCP服务器，而真正监听端口的只有这个服务器，当来自前端的请求触发服务器的connection事件后，master会将对应的socket句柄发送给子进程。

// cluster 开启子进程
const http = require('http');	
const cluster = require('cluster');	
const numCPUs = require('os').cpus().length;	

if (cluster.isMaster) {	
    console.log('Master proces id is', process.pid);	
    // fork workers	
    for(let i = 0; i < numCPUs; ++i){	
        cluster.fork();	
    }
    cluster.on('exit', function(worker, code, signal) {	
        console.log('worker process died,id', worker.process.pid)	
    })	
} else {	
    // Worker可以共享同一个TCP连接	
    // 这里是一个http服务器	
    http.createServer(function(req, res) {	
        res.writeHead(200);	
        res.end('hello word');	
    }).listen(8000);	
}

4）child_process模块与cluster模块总结
无论是child_process模块还是cluster模块，都是为了解决Node.js实例在单线程运行时无法利用多核CPU的问题，核心就是父进程（即master进程）负责监听端口，接收到后将其分发给下面的worker进程。
cluster模块的一个弊端：cluster模块内部隐式地构建了TCP服务器，这对使用者确实简单和透明了许多，但是这种方式无法像使用child_process模块那样灵活，因为一个主进程只能管理一组相同的工作进程，而自行通过child_process模块来创建工作进程，一个主进程则可以控制多组进程，原因是child_process模块操作子进程时，可以隐式地创建多个TCP服务器。

Node.js单线程的误区

大家平时常说的Node.js是单线程，指的是JavaScript的执行是单线程的(开发者编写的代码运行在单线程环境中)，但Javascript的宿主环境，无论是Node.js还是浏览器都是多线程的，因为libuv中是有线程池的概念存在的，libuv会通过类似线程池的实现来模拟不同操作系统的异步调用，这对开发者来说是不可见的，某些异步I/O会占用额外的线程。
Node.js中最核心的是v8引擎，在 Node.js启动后，会创建v8的实例，而这个实例是多线程的。

主线程：编译、执行代码。
编译|优化线程：在主线程执行的时候，可以优化代码。
分析器线程：记录分析代码运行时间，为Crankshaft优化代码执行提供依据。
垃圾回收的几个线程。

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Node.js单线程的误区

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