深入淺析Node中的進(jìn)程和線程-全球快播報(bào)

一、進(jìn)程和線程

1.1、專業(yè)性文字定義

1.2、通俗理解

以上描述比較硬，看完可能也沒看懂，還不利于理解記憶。那么我們舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子：

假設(shè)你是某個(gè)快遞站點(diǎn)的一名小哥，起初這個(gè)站點(diǎn)負(fù)責(zé)的區(qū)域住戶不多，收取件都是你一個(gè)人。給張三家送完件，再去李四家取件，事情得一件件做，這叫單線程，所有的工作都得按順序執(zhí)行。后來這個(gè)區(qū)域住戶多了，站點(diǎn)給這個(gè)區(qū)域分配了多個(gè)小哥，還有個(gè)小組長(zhǎng)，你們可以為更多的住戶服務(wù)了，這叫多線程，小組長(zhǎng)是主線程，每個(gè)小哥都是一個(gè)線程。快遞站點(diǎn)使用的小推車等工具，是站點(diǎn)提供的，小哥們都可以使用，并不僅供某一個(gè)人，這叫多線程資源共享。站點(diǎn)小推車目前只有一個(gè)，大家都需要使用，這叫沖突。解決的方法有很多，排隊(duì)等待或者等其他小哥用完后的通知，這叫線程同步。

(相關(guān)資料圖)

總公司有很多站點(diǎn)，各個(gè)站點(diǎn)的運(yùn)營模式幾乎一模一樣，這叫多進(jìn)程。總公司叫主進(jìn)程，各個(gè)站點(diǎn)叫子進(jìn)程。總公司和站點(diǎn)之間，以及各個(gè)站點(diǎn)互相之間，小推車都是相互獨(dú)立的，不能混用，這叫進(jìn)程間不共享資源。各站點(diǎn)間可以通過電話等方式聯(lián)系，這叫管道。各站點(diǎn)間還有其他協(xié)同手段，便于完成更大的計(jì)算任務(wù)，這叫進(jìn)程間同步。

還可以看看阮一峰的 進(jìn)程與線程的一個(gè)簡(jiǎn)單解釋。

二、Node.js 中的進(jìn)程和線程

Node.js 是單線程服務(wù)，事件驅(qū)動(dòng)和非阻塞 I/O 模型的語言特性，使得 Node.js 高效和輕量。優(yōu)勢(shì)在于免去了頻繁切換線程和資源沖突；擅長(zhǎng) I/O 密集型操作（底層模塊 libuv 通過多線程調(diào)用操作系統(tǒng)提供的異步 I/O 能力進(jìn)行多任務(wù)的執(zhí)行），但是對(duì)于服務(wù)端的 Node.js，可能每秒有上百個(gè)請(qǐng)求需要處理，當(dāng)面對(duì) CPU 密集型請(qǐng)求時(shí)，因?yàn)槭菃尉€程模式，難免會(huì)造成阻塞。

2.1、Node.js 阻塞

我們利用 Koa 簡(jiǎn)單地搭建一個(gè) Web 服務(wù)，用斐波那契數(shù)列方法來模擬一下 Node.js 處理 CPU 密集型的計(jì)算任務(wù)：

// app.jsconst Koa = require("koa")const router = require("koa-router")()const app = new Koa()// 用來測(cè)試是否被阻塞router.get("/test", (ctx) => {    ctx.body = {        pid: process.pid,        msg: "Hello World"    }})router.get("/fibo", (ctx) => {    const { num = 38 } = ctx.query    const start = Date.now()    // 斐波那契數(shù)列    const fibo = (n) => {        return n > 1 ? fibo(n - 1) + fibo(n - 2) : 1    }    fibo(num)    ctx.body = {        pid: process.pid,        duration: Date.now() - start    }})app.use(router.routes())app.listen(9000, () => {    console.log("Server is running on 9000")})

執(zhí)行 node app.js啟動(dòng)服務(wù)，用 Postman 發(fā)送請(qǐng)求，可以看到，計(jì)算 38 次耗費(fèi)了 617ms，換而言之，因?yàn)閳?zhí)行了一個(gè) CPU 密集型的計(jì)算任務(wù)，所以 Node.js 主線程被阻塞了六百多毫秒。如果同時(shí)處理更多的請(qǐng)求，或者計(jì)算任務(wù)更復(fù)雜，那么在這些請(qǐng)求之后的所有請(qǐng)求都會(huì)被延遲執(zhí)行。

我們?cè)傩陆ㄒ粋€(gè) axios.js 用來模擬發(fā)送多次請(qǐng)求，此時(shí)將 app.js 中的 fibo 計(jì)算次數(shù)改為 43，用來模擬更復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)：

// axios.jsconst axios = require("axios")const start = Date.now()const fn = (url) => {    axios.get(`http://127.0.0.1:9000/${ url }`).then((res) => {        console.log(res.data, `耗時(shí): ${ Date.now() - start }ms`)    })}fn("test")fn("fibo?num=43")fn("test")

可以看到，當(dāng)請(qǐng)求需要執(zhí)行 CPU 密集型的計(jì)算任務(wù)時(shí)，后續(xù)的請(qǐng)求都被阻塞等待，這類請(qǐng)求一多，服務(wù)基本就阻塞卡死了。對(duì)于這種不足，Node.js 一直在彌補(bǔ)。

2.2、master-worker

master-worker 模式是一種并行模式，核心思想是：系統(tǒng)有兩個(gè)及以上的進(jìn)程或線程協(xié)同工作時(shí)，master 負(fù)責(zé)接收和分配并整合任務(wù)，worker 負(fù)責(zé)處理任務(wù)。

2.3、多線程

線程是 CPU 調(diào)度的一個(gè)基本單位，只能同時(shí)執(zhí)行一個(gè)線程的任務(wù)，同一個(gè)線程也只能被一個(gè) CPU 調(diào)用。如果使用的是多核 CPU，那么將無法充分利用 CPU 的性能。

多線程帶給我們靈活的編程方式，但是需要學(xué)習(xí)更多的 Api 知識(shí)，在編寫更多代碼的同時(shí)也存在著更多的風(fēng)險(xiǎn)，線程的切換和鎖也會(huì)增加系統(tǒng)資源的開銷。

worker_threads 是 Node.js 提供的一種多線程 Api。對(duì)于執(zhí)行 CPU 密集型的計(jì)算任務(wù)很有用，對(duì) I/O 密集型的操作幫助不大，因?yàn)?Node.js 內(nèi)置的異步 I/O 操作比 worker_threads 更高效。worker_threads 中的 Worker，parentPort 主要用于子線程和主線程的消息交互。

將 app.js 稍微改動(dòng)下，將 CPU 密集型的計(jì)算任務(wù)交給子線程計(jì)算：

// app.jsconst Koa = require("koa")const router = require("koa-router")()const { Worker } = require("worker_threads")const app = new Koa()// 用來測(cè)試是否被阻塞router.get("/test", (ctx) => {    ctx.body = {        pid: process.pid,        msg: "Hello World"    }})router.get("/fibo", async (ctx) => {    const { num = 38 } = ctx.query    ctx.body = await asyncFibo(num)})const asyncFibo = (num) => {    return new Promise((resolve, reject) => {        // 創(chuàng)建 worker 線程并傳遞數(shù)據(jù)        const worker = new Worker("./fibo.js", { workerData: { num } })        // 主線程監(jiān)聽子線程發(fā)送的消息        worker.on("message", resolve)        worker.on("error", reject)        worker.on("exit", (code) => {            if (code !== 0) reject(new Error(`Worker stopped with exit code ${code}`))        })    })}app.use(router.routes())app.listen(9000, () => {    console.log("Server is running on 9000")})

新增 fibo.js 文件，用來處理復(fù)雜計(jì)算任務(wù)：

const { workerData, parentPort } = require("worker_threads")const { num } = workerDataconst start = Date.now()// 斐波那契數(shù)列const fibo = (n) => {    return n > 1 ? fibo(n - 1) + fibo(n - 2) : 1}fibo(num)parentPort.postMessage({    pid: process.pid,    duration: Date.now() - start})

執(zhí)行上文的 axios.js，此時(shí)將 app.js 中的 fibo 計(jì)算次數(shù)改為 43，用來模擬更復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)：

可以看到，將 CPU 密集型的計(jì)算任務(wù)交給子線程處理時(shí)，主線程不再被阻塞，只需等待子線程處理完成后，主線程接收子線程返回的結(jié)果即可，其他請(qǐng)求不再受影響。上述代碼是演示創(chuàng)建 worker 線程的過程和效果，實(shí)際開發(fā)中，請(qǐng)使用線程池來代替上述操作，因?yàn)轭l繁創(chuàng)建線程也會(huì)有資源的開銷。

線程是 CPU 調(diào)度的一個(gè)基本單位，只能同時(shí)執(zhí)行一個(gè)線程的任務(wù)，同一個(gè)線程也只能被一個(gè) CPU 調(diào)用。

我們?cè)倩匚断拢拘」?jié)開頭提到的線程和 CPU 的描述，此時(shí)由于是新的線程，可以在其他 CPU 核心上執(zhí)行，可以更充分的利用多核 CPU。

2.4、多進(jìn)程

Node.js 為了能充分利用 CPU 的多核能力，提供了 cluster 模塊，cluster 可以通過一個(gè)父進(jìn)程管理多個(gè)子進(jìn)程的方式來實(shí)現(xiàn)集群的功能。

cluster 底層就是 child_process，master 進(jìn)程做總控，啟動(dòng) 1 個(gè) agent 進(jìn)程和 n 個(gè) worker 進(jìn)程，agent 進(jìn)程處理一些公共事務(wù)，比如日志等；worker 進(jìn)程使用建立的 IPC（Inter-Process Communication）通信通道和 master 進(jìn)程通信，和 master 進(jìn)程共享服務(wù)端口。

新增 fibo-10.js，模擬發(fā)送 10 次請(qǐng)求：

// fibo-10.jsconst axios = require("axios")const url = `http://127.0.0.1:9000/fibo?num=38`const start = Date.now()for (let i = 0; i < 10; i++) {    axios.get(url).then((res) => {        console.log(res.data, `耗時(shí): ${ Date.now() - start }ms`)    })}

可以看到，只使用了一個(gè)進(jìn)程，10 個(gè)請(qǐng)求慢慢阻塞，累計(jì)耗時(shí) 15 秒：

接下來，將 app.js 稍微改動(dòng)下，引入 cluster 模塊：

// app.jsconst cluster = require("cluster")const http = require("http")const numCPUs = require("os").cpus().length// const numCPUs = 10 // worker 進(jìn)程的數(shù)量一般和 CPU 核心數(shù)相同const Koa = require("koa")const router = require("koa-router")()const app = new Koa()// 用來測(cè)試是否被阻塞router.get("/test", (ctx) => {    ctx.body = {        pid: process.pid,        msg: "Hello World"    }})router.get("/fibo", (ctx) => {    const { num = 38 } = ctx.query    const start = Date.now()    // 斐波那契數(shù)列    const fibo = (n) => {        return n > 1 ? fibo(n - 1) + fibo(n - 2) : 1    }    fibo(num)    ctx.body = {        pid: process.pid,        duration: Date.now() - start    }})app.use(router.routes())if (cluster.isMaster) {    console.log(`Master ${process.pid} is running`)        // 衍生 worker 進(jìn)程    for (let i = 0; i < numCPUs; i++) {        cluster.fork()    }    cluster.on("exit", (worker, code, signal) => {        console.log(`worker ${worker.process.pid} died`)    })} else {    app.listen(9000)    console.log(`Worker ${process.pid} started`)}

執(zhí)行 node app.js啟動(dòng)服務(wù)，可以看到，cluster 幫我們創(chuàng)建了 1 個(gè) master 進(jìn)程和 4 個(gè) worker 進(jìn)程：

通過 fibo-10.js 模擬發(fā)送 10 次請(qǐng)求，可以看到，四個(gè)進(jìn)程處理 10 個(gè)請(qǐng)求耗時(shí)近 9 秒：

當(dāng)啟動(dòng) 10 個(gè) worker 進(jìn)程時(shí)，看看效果：

僅需不到 3 秒，不過進(jìn)程的數(shù)量也不是無限的。在日常開發(fā)中，worker 進(jìn)程的數(shù)量一般和 CPU 核心數(shù)相同。

2.5、多進(jìn)程說明

開啟多進(jìn)程不全是為了處理高并發(fā)，而是為了解決 Node.js 對(duì)于多核 CPU 利用率不足的問題。由父進(jìn)程通過 fork 方法衍生出來的子進(jìn)程擁有和父進(jìn)程一樣的資源，但是各自獨(dú)立，互相之間資源不共享。通常根據(jù) CPU 核心數(shù)來設(shè)置進(jìn)程數(shù)量，因?yàn)橄到y(tǒng)資源是有限的。

三、總結(jié)

1、大部分通過多線程解決 CPU 密集型計(jì)算任務(wù)的方案都可以通過多進(jìn)程方案來替代；2、Node.js 雖然異步，但是不代表不會(huì)阻塞，CPU 密集型任務(wù)最好不要在主線程處理，保證主線程的暢通；3、不要一味的追求高性能和高并發(fā)，達(dá)到系統(tǒng)需要即可，高效、敏捷才是項(xiàng)目需要的，這也是 Node.js 輕量的特點(diǎn)。4、Node.js 中的進(jìn)程和線程還有很多概念在文章中提到了但沒展開細(xì)講或沒提到的，比如：Node.js 底層 I/O 的 libuv、IPC 通信通道、多進(jìn)程如何守護(hù)、進(jìn)程間資源不共享如何處理定時(shí)任務(wù)、agent 進(jìn)程等；5、以上代碼可在 https://github.com/liuxy0551/node-process-thread 查看。

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