手记

Node.js 进阶之进程与线程

五月君
2019-06-16 21:13:57浏览 7642

进程与线程在服务端研发中是一个非常重要的概念，如果您在学习的时候对这一块感到混乱或者不是太理解，可以阅读下本篇内容，本篇在介绍进程和线程的概念之外，列举了很多 Demo 希望能从实战角度帮助您更好的去理解。

作者简介：五月君，Nodejs Developer，热爱技术、喜欢分享的 90 后青年，公众号 “Nodejs技术栈”，Github 开源项目 https://www.nodejs.red

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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（来自百科）。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。

关于进程通过一个简单的 Node.js Demo 来验证下，执行以下代码 node process.js，开启一个服务进程

// process.js
const http = require('http');

http.createServer().listen(3000, () => {
    process.title = '测试进程 Node.js' // 进程进行命名
    console.log(`process.pid: `, process.pid); // process.pid: 20279
});

以下为 Mac 系统自带的监控工具 “活动监视器” 所展示的效果，可以看到我们刚开启的 Nodejs 进程 20279

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。

同一块代码，可以根据系统CPU核心数启动多个进程，每个进程都有属于自己的独立运行空间，进程之间是不相互影响的。同一进程中的多条线程将共享该进程中的全部系统资源，如虚拟地址空间，文件描述符和信号处理等。但同一进程中的多个线程有各自的调用栈（call stack），自己的寄存器环境（register context），自己的线程本地存储（thread-local storage)，线程又有单线程和多线程之分，具有代表性的 JavaScript、Java 语言。

单线程

单线程就是一个进程只开一个线程，想象一下一个痴情的少年，对一个妹子一心一意用情专一。

Javascript 就是属于单线程，程序顺序执行，可以想象一下队列，前面一个执行完之后，后面才可以执行，当你在使用单线程语言编码时切勿有过多耗时的同步操作，否则线程会造成阻塞，导致后续响应无法处理。你如果采用 Javascript 进行编码时候，请尽可能的使用异步操作。

一个计算耗时造成线程阻塞的例子

先看一段例子，运行下面程序，浏览器执行 http://127.0.0.1:3000/compute 大约每次需要 15657.310ms，也就意味下次用户请求需要等待 15657.310ms，下文 Node.js 进程创建一节 将采用 child_process.fork 实现多个进程来处理。

// compute.js
const http = require('http');
const [url, port] = ['127.0.0.1', 3000];

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;
};

const server = http.createServer((req, res) => {
    if(req.url == '/compute'){
        const sum = computation();

        res.end(`Sum is ${sum}`);
    }

    res.end(`ok`);
});

server.listen(port, url, () => {
    console.log(`server started at http://${url}:${port}`);
});

单线程使用总结

  • Node.js 虽然是单线程模型，但是其基于事件驱动、异步非阻塞模式，可以应用于高并发场景，避免了线程创建、线程之间上下文切换所产生的资源开销。
  • 如果你有需要大量计算，CPU 耗时的操作，开发时候要注意。

多线程

多线程就是没有一个进程只开一个线程的限制，好比一个风流少年除了爱慕自己班的某个妹子，还在想着隔壁班的漂亮妹子。Java 就是多线程编程语言的一种，可以有效避免代码阻塞导致的后续请求无法处理。

对于多线程的说明 Java 是一个很好的例子，看以下代码示例，我将 count 定义在全局变量，如果定义在 test 方法里，又会输出什么呢？

public class TestApplication {
    Integer count = 0;

    @GetMapping("/test")
    public Integer Test() {
        count += 1;
        return count;
    }

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(TestApplication.class, args);
    }
}

运行结果，每次执行都会修改count值，所以，多线程中任何一个变量都可以被任何一个线程所修改。

1 # 第一次执行
2 # 第二次执行
3 # 第三次执行

我现在对上述代码做下修改将 count 定义在 test 方法里

public class TestApplication {
    @GetMapping("/test")
    public Integer Test() {
        Integer count = 0; // 改变定义位置
        count += 1;
        return count;
    }

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(TestApplication.class, args);
    }
}

运行结果如下所示，每次都是 1，因为每个线程都拥有了自己的执行栈

1 # 第一次执行
1 # 第二次执行
1 # 第三次执行

多线程使用总结

多线程的代价还在于创建新的线程和执行期上下文线程的切换开销，由于每创建一个线程就会占用一定的内存，当应用程序并发大了之后，内存将会很快耗尽。类似于上面单线程模型中例举的例子，需要一定的计算会造成当前线程阻塞的，还是推荐使用多线程来处理，关于线程与进程的理解推荐阅读下 阮一峰：进程与线程的一个简单解释。

Nodejs的线程与进程

Node.js 是 Javascript 在服务端的运行环境，构建在 chrome 的 V8 引擎之上，基于事件驱动、非阻塞I/O模型，充分利用操作系统提供的异步 I/O 进行多任务的执行，适合于 I/O 密集型的应用场景，因为异步，程序无需阻塞等待结果返回，而是基于回调通知的机制，原本同步模式等待的时间，则可以用来处理其它任务，在 Web 服务器方面，著名的 Nginx 也是采用此模式（事件驱动），Nginx 采用 C 语言进行编写，主要用来做高性能的 Web 服务器，不适合做业务。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 系统之上我们采用 单进程 + 单线程 的模式来开发。在多核 CPU 系统之上，可以通过 child_process.fork 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 CPU 利用率不足的情况，充分利用多核 CPU 的性能。

Process

Node.js 中的进程 Process 是一个全局对象，无需 require 直接使用，给我们提供了当前进程中的相关信息。官方文档提供了详细的说明，感兴趣的可以亲自实践下 Process 文档。

  • process.env：环境变量，例如通过 process.env.NODE_ENV 获取不同环境项目配置信息
  • process.nextTick：这个在谈及 Event Loop 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
  • process.cwd()：获取当前进程工作目录
  • 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）进程推出监听
  • 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

以上仅列举了部分常用到功能点，除了 Process 之外 Node.js 还提供了 child_process 模块用来对子进程进行操作，在下文 Nodejs进程创建一节 会讲述。

关于 Node.js 进程的几点总结

  • Javascript 是单线程，但是做为宿主环境的 Node.js 并非是单线程的。
  • 由于单线程原故，一些复杂的、消耗 CPU 资源的任务建议不要交给 Node.js 来处理，当你的业务需要一些大量计算、视频编码解码等 CPU 密集型的任务，可以采用 C 语言。
  • Node.js 和 Nginx 均采用事件驱动方式，避免了多线程的线程创建、线程上下文切换的开销。如果你的业务大多是基于 I/O 操作，那么你可以选择 Node.js 来开发。

Nodejs进程创建

Node.js 提供了 child_process 内置模块，用于创建子进程，更多详细信息可参考 Node.js 中文网 child_process

四种方式

  • 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 默认值为 200 * 1024 超出这个默认值将会导致程序崩溃，数据量过大可采用 spawn。
  • child_process.execFile()：类似 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 核心数设置。

方式一：spawn

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

创建父子进程间通信的三种方式：

  • 让子进程的stdio和当前进程的stdio之间建立管道链接 child.stdout.pipe(process.stdout);
  • 父进程子进程之间共用stdio
  • 事件监听
const spawn = require('child_process').spawn;
const child = spawn('ls', ['-l'], { cwd: '/usr' }) // cwd 指定子进程的工作目录，默认当前目录

child.stdout.pipe(process.stdout);
console.log(process.pid, child.pid); // 主进程id3243 子进程3244

方式二：exec

const exec = require('child_process').exec;

exec(`node -v`, (error, stdout, stderr) => {
    console.log({ error, stdout, stderr })
    // { error: null, stdout: 'v8.5.0\n', stderr: '' }
})

方式三：execFile

const execFile = require('child_process').execFile;

execFile(`node`, ['-v'], (error, stdout, stderr) => {
    console.log({ error, stdout, stderr })
    // { error: null, stdout: 'v8.5.0\n', stderr: '' }
})

方式四：fork

const fork = require('child_process').fork;
fork('./worker.js'); // fork 一个新的子进程

fork子进程充分利用CPU资源

上文单线程一节 例子中，当 CPU 计算密度大的情况程序会造成阻塞导致后续请求需要等待，下面采用 child_process.fork 方法，在进行 cpmpute 计算时创建子进程，子进程计算完成通过 send 方法将结果发送给主进程，主进程通过 message 监听到信息后处理并退出。

fork_app.js

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}`);
});

fork_compute.js

针对 上文单线程一节 的例子需要进行计算的部分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);
})

Nodejs多进程架构模型

多进程架构解决了单进程、单线程无法充分利用系统多核 CPU 的问题，通过上文对 Node.js 进程有了初步的了解，本节通过一个 Demo 来展示如何启动一批 Node.js 进程来提供服务。

编写主进程

master.js 主要处理以下逻辑：

  • 创建一个 server 并监听 3000 端口。
  • 根据系统 cpus 开启多个子进程
  • 通过子进程对象的 send 方法发送消息到子进程进行通信
  • 在主进程中监听了子进程的变化，如果是自杀信号重新启动一个工作进程。
  • 主进程在监听到退出消息的时候，先退出子进程在退出主进程
// master.js
const fork = require('child_process').fork;
const cpus = require('os').cpus();

const server = require('net').createServer();
server.listen(3000);
process.title = 'node-master'

const workers = {};
const createWorker = () => {
    const worker = fork('worker.js')
    worker.on('message', function (message) {
        if (message.act === 'suicide') {
            createWorker();
        }
    })
    worker.on('exit', function(code, signal) {
        console.log('worker process exited, code: %s signal: %s', code, signal);
        delete workers[worker.pid];
    });
    worker.send('server', server);
    workers[worker.pid] = worker;
    console.log('worker process created, pid: %s ppid: %s', worker.pid, process.pid);
}

for (let i=0; i<cpus.length; i++) {
    createWorker();
}

process.once('SIGINT', close.bind(this, 'SIGINT')); // kill(2) Ctrl-C
process.once('SIGQUIT', close.bind(this, 'SIGQUIT')); // kill(3) Ctrl-\
process.once('SIGTERM', close.bind(this, 'SIGTERM')); // kill(15) default
process.once('exit', close.bind(this));

function close (code) {
    console.log('进程退出！', code);

    if (code !== 0) {
        for (let pid in workers) {
            console.log('master process exited, kill worker pid: ', pid);
            workers[pid].kill('SIGINT');
        }
    }

    process.exit(0);
}

工作进程

worker.js 子进程处理逻辑如下：

  • 创建一个 server 对象，注意这里最开始并没有监听 3000 端口
  • 通过 message 事件接收主进程 send 方法发送的消息
  • 监听 uncaughtException 事件，捕获未处理的异常，发送自杀信息由主进程重建进程，子进程在链接关闭之后退出
// worker.js
const http = require('http');
const server = http.createServer((req, res) => {
	res.writeHead(200, {
		'Content-Type': 'text/plan'
	});
	res.end('I am worker, pid: ' + process.pid + ', ppid: ' + process.ppid);
	throw new Error('worker process exception!'); // 测试异常进程退出、重建
});

let worker;
process.title = 'node-worker'
process.on('message', function (message, sendHandle) {
	if (message === 'server') {
		worker = sendHandle;
		worker.on('connection', function(socket) {
			server.emit('connection', socket);
		});
	}
});

process.on('uncaughtException', function (err) {
	console.log(err);
	process.send({act: 'suicide'});
	worker.close(function () {
		process.exit(1);
	})
})

测试

控制台执行 node master.js 可以看到已成功创建了四个工作进程

$ node master
worker process created, pid: 19280 ppid: 19279
worker process created, pid: 19281 ppid: 19279
worker process created, pid: 19282 ppid: 19279
worker process created, pid: 19283 ppid: 19279

打开活动监视器查看我们的进程情况，由于在创建进程时对进程进行了命名，很清楚的看到一个主进程对应多个子进程。

以上 Demo 简单的介绍了多进程创建、异常监听、重启等，但是做为企业级应用程序我们还需要考虑的更完善，例如：进程的重启次数限制、与守护进程结合、多进程模式下定时任务处理等，感兴趣的同学推荐看下阿里 Egg.js 多进程模式

守护进程

关于守护进程，是什么、为什么、怎么编写？本节将解密这些疑点

守护进程运行在后台不受终端的影响，什么意思呢？Node.js 开发的同学们可能熟悉，当我们打开终端执行 node app.js 开启一个服务进程之后，这个终端就会一直被占用，如果关掉终端，服务就会断掉，即前台运行模式。如果采用守护进程进程方式，这个终端我执行 node app.js 开启一个服务进程之后，我还可以在这个终端上做些别的事情，且不会相互影响。

创建步骤

  1. 创建子进程
  2. 在子进程中创建新会话（调用系统函数 setsid）
  3. 改变子进程工作目录（如：“/” 或 “/usr/ 等）
  4. 父进程终止

Node.js 编写守护进程 Demo 展示

index.js 文件里的处理逻辑使用 spawn 创建子进程完成了上面的第一步操作。设置 options.detached 为 true 可以使子进程在父进程退出后继续运行（系统层会调用 setsid 方法），参考 options_detached，这是第二步操作。options.cwd 指定当前子进程工作目录若不做设置默认继承当前工作目录，这是第三步操作。运行 daemon.unref() 退出父进程，参考 options.stdio，这是第四步操作。

// index.js
const spawn = require('child_process').spawn;

function startDaemon() {
    const daemon = spawn('node', ['daemon.js'], {
        cwd: '/usr',
        detached : true,
        stdio: 'ignore',
    });

    console.log('守护进程开启 父进程 pid: %s, 守护进程 pid: %s', process.pid, daemon.pid);
    daemon.unref();
}

startDaemon()

daemon.js 文件里处理逻辑开启一个定时器每 10 秒执行一次，使得这个资源不会退出，同时写入日志到子进程当前工作目录下

// /usr/daemon.js
const fs = require('fs');
const { Console } = require('console');

// custom simple logger
const logger = new Console(fs.createWriteStream('./stdout.log'), fs.createWriteStream('./stderr.log'));

setInterval(function() {
	logger.log('daemon pid: ', process.pid, ', ppid: ', process.ppid);
}, 1000 * 10);

守护进程实现 Node.js 版本 源码地址

运行测试

$ node index.js
守护进程开启 父进程 pid: 47608, 守护进程 pid: 47609

打开活动监视器查看，目前只有一个进程 47609，这就是我们需要进行守护的进程

守护进程阅读推荐

守护进程总结

在实际工作中对于守护进程并不陌生，例如 PM2、Egg-Cluster 等，以上只是一个简单的 Demo 对守护进程做了一个说明，在实际工作中对守护进程的健壮性要求还是很高的，例如：进程的异常监听、工作进程管理调度、进程挂掉之后重启等等，这些还需要我们去不断思考。

关于本节内容面试相关的推荐阅读我的另一片篇文章 分享 10 道 Nodejs 进程相关面试题

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