8、多进程和多线程

多进程和多线程的选择

node.js 目前有两种方案，一种是使用children_process或者cluster开启多进程进行计算，一种是使用worker_thread 开启多线程进行计算

children_process多进程简介

我们都知道 Node.js 是以单线程的模式运行的，但它使用的是事件驱动来处理并发，这样有助于我们在多核 cpu 的系统上创建多个子进程，从而提高性能。

每个子进程总是带有三个流对象：child.stdin, child.stdout 和child.stderr。他们可能会共享父进程的 stdio 流，或者也可以是独立的被导流的流对象。

Node 提供了 child_process 模块来创建子进程，方法有：

• exec：child_process.exec 使用子进程执行命令，缓存子进程的输出，并将子进程的输出以回调函数参数的形式返回。
• spawn：child_process.spawn 使用指定的命令行参数创建新进程。
• fork：child_process.fork 是 spawn()的特殊形式，用于在子进程中运行的模块，如 fork('./son.js') 相当于 spawn('node', ['./son.js']) 。与spawn方法不同的是，fork会在父进程与子进程之间，建立一个通信管道，用于进程之间的通信。

exec方法

child_process.exec 使用子进程执行命令，缓存子进程的输出，并将子进程的输出以回调函数参数的形式返回。

child_process.exec(command[, options], callback)

参数说明如下：

• command： 字符串， 将要运行的命令，参数使用空格隔开

• options ：对象，可以是：

  • cwd ，字符串，子进程的当前工作目录

  • env，对象 环境变量键值对

  • encoding ，字符串，字符编码（默认：utf8）

  • shell ，字符串，将要执行命令的 Shell（默认: 在 UNIX 中为/bin/sh， 在 Windows 中为cmd.exe， Shell 应当能识别 -c开关在 UNIX 中，或 /s /c 在 Windows 中。 在Windows 中，命令行解析应当能兼容cmd.exe）

  • timeout，数字，超时时间（默认： 0）

  • maxBuffer，数字， 在 stdout 或 stderr 中允许存在的最大缓冲（二进制），如果超出那么子进程将会被杀死 （默认: 200*1024）

  • killSignal ，字符串，结束信号（默认：'SIGTERM'）

  • uid，数字，设置用户进程的 ID

  • gid，数字，设置进程组的 ID

• callback ：回调函数，包含三个参数error, stdout 和 stderr。

返回最大的缓冲区，并等待进程结束，一次性返回缓冲区的内容。

const fs = require('fs');
const child_process = require('child_process');
 
for(var i=0; i<3; i++) {
    var workerProcess = child_process.exec('node support.js '+i, function (error, stdout, stderr) {
        if (error) {
            console.log(error.stack);
            console.log('Error code: '+error.code);
            console.log('Signal received: '+error.signal);
        }
        console.log('stdout: ' + stdout);
        console.log('stderr: ' + stderr);
    });
 
    workerProcess.on('exit', function (code) {
        console.log('子进程已退出，退出码 '+code);
    });
}

spawn方法

child_process.spawn 使用指定的命令行参数创建新进程，语法格式如下：

child_process.spawn(command[, args][, options])

参数说明如下：

• command： 将要运行的命令

• args： Array 字符串参数数组

• options

  • cwd：String 子进程的当前工作目录

  • env ：Object 环境变量键值对

  • stdio ：Array|String 子进程的 stdio 配置

  • detached ：Boolean 这个子进程将会变成进程组的领导

  • uid ：Number 设置用户进程的 ID

  • gid ：Number 设置进程组的 ID

spawn方法返回流 (stdout & stderr)，在进程返回大量数据时使用。进程一旦开始执行时 spawn() 就开始接收响应。

const fs = require('fs');
const child_process = require('child_process');
 
for(var i=0; i<3; i++) {
   var workerProcess = child_process.spawn('node', ['support.js', i]);
 
   workerProcess.stdout.on('data', function (data) {
      console.log('stdout: ' + data);
   });
 
   workerProcess.stderr.on('data', function (data) {
      console.log('stderr: ' + data);
   });
 
   workerProcess.on('close', function (code) {
      console.log('子进程已退出，退出码 '+code);
   });
}

fork 方法

child_process.fork 是 spawn() 方法的特殊形式，用于创建进程，语法格式如下：

child_process.fork(modulePath[, args][, options])

• modulePath： String，将要在子进程中运行的模块

• args： Array 字符串参数数组

• options：Object

  • cwd ：String 子进程的当前工作目录

  • env ：Object 环境变量键值对

  • execPath ：String 创建子进程的可执行文件

  • execArgv： Array 子进程的可执行文件的字符串参数数组（默认： process.execArgv）

  • silent ：Boolean 如果为true，子进程的stdin，stdout和stderr将会被关联至父进程，否则，它们将会从父进程中继承。（默认为：false）

  • uid ：Number 设置用户进程的 ID

  • gid ：Number 设置进程组的 ID

返回的对象除了拥有ChildProcess实例的所有方法，还有一个内建的通信信道。

const fs = require('fs');
const child_process = require('child_process');
 
for(var i=0; i<3; i++) {
   var worker_process = child_process.fork("support.js", [i]);    
 
   worker_process.on('close', function (code) {
      console.log('子进程已退出，退出码 ' + code);
   });
}

多线程

Node.js V10.5.0 提供了 worker_threads，它比 child_process 或 cluster更轻量级。 与child_process 或 cluster 不同，worker_threads 可以共享内存，通过传输 ArrayBuffer 实例或共享 SharedArrayBuffer 实例来实现。

Node.js 保持了JavaScript在浏览器中单线程的特点。它的优势是没有线程间数据同步的性能消耗也不会出现死锁的情况。所以它是线程安全并且性能高效的。

单线程有它的弱点，无法充分利用多核CPU 资源，CPU 密集型计算可能会导致 I/O 阻塞，以及出现错误可能会导致应用崩溃。

为了解决单线程弱点：

浏览器端： HTML5 制定了 Web Worker 标准（Web Worker 的作用，就是为 JavaScript 创造多线程环境，允许主线程创建 Worker 线程，将一些任务分配给后者运行）。

Node端：采用了和 Web Worker相同的思路来解决单线程中大量计算问题 ，官方提供了 child_process 模块和 cluster 模块， cluster 底层是基于child_process实现。

开启现成的方法

使用 Worker 类

通过 Worker 类可以创建和管理工作线程。例如，可以创建一个新的线程，并传递一个 js 文件给该线程执行：

const { Worker, isMainThread, parentPort } = require('worker_threads');
 
if (isMainThread) {
  const worker = new Worker('./my-worker.js');
  // 主线程的逻辑
} else {
  // 工作线程的逻辑
  parentPort.postMessage('来自工作线程的问候');
}

使用线程池

const WorkerPool = require('workerpool').pool;
 
const pool = WorkerPool({ maxWorkers: 4 });
 
pool.exec(someTask).then(result => {
  // 处理结果
});

使用案例

1、创建工作线程

首先，创建一个工作线程负责计算斐波那契数列。将以下代码保存为 fibonacciWorker.js 文件：

const { parentPort } = require('worker_threads');
 
function calculateFibonacci(n) {
  if (n <= 1) return n;
  return calculateFibonacci(n - 1) + calculateFibonacci(n - 2);
}
 
parentPort.on('message', (n) => {
  const result = calculateFibonacci(n);
  parentPort.postMessage(result);
});

2、与主线程交互

在主线程中，创建多个工作线程，并分配任务给它们。以下是主线程的代码，可以保存为 main.js：

const { Worker } = require('worker_threads');
 
const numThreads = 4; // 假设我们使用四个工作线程
 
for (let i = 0; i < numThreads; i++) {
  const worker = new Worker('./fibonacciWorker.js');
 
  worker.on('message', (result) => {
    console.log(`线程 ${i} 返回的斐波那契结果：${result}`);
  });
 
  worker.postMessage(40); // 计算第40个斐波那契数
}