站長資訊網大家都知道 Node 是單線程的，卻不知它也提供了多進（線）程模塊來加速處理一些特殊任務，本文便帶領大家了解下 Node.js 的多進（線）程，希望對大家有所幫助！
我們都知道 Node.js 采用的是單線程、基于事件驅動的異步 I/O 模型，其特性決定了它無法利用 CPU 多核的優勢，也不善于完成一些非 I/O 類型的操作（比如執行腳本、AI 計算、圖像處理等），為了解決此類問題，Node.js 提供了常規的多進（線程）方案（關于進程、線程的討論，可參見筆者的另一篇文章 Node.js 與并發模型），本文便為大家介紹 Node.js 的多進（線）程機制。
child_process
我們可使用 child_process 模塊創建 Node.js 的子進程，來完成一些特殊的任務（比如執行腳本），該模塊主要提供了 exec、execFile、fork、spwan 等方法，下面我們就簡單介紹下這些方法的使用。
exec
const { exec } = require('child_process'); exec('ls -al', (error, stdout, stderr) => { console.log(stdout); });
該方法根據 options.shell 指定的可執行文件處理命令字符串，在命令的執行過程中緩存其輸出，直到命令執行完成后，再將執行結果以回調函數參數的形式返回。
該方法的參數解釋如下：
-
command：將要執行的命令（比如ls -al）； -
options：參數設置（可不指定），相關屬性如下：-
cwd：子進程的當前工作目錄，默認取process.cwd()的值； -
env：環境變量設置（為鍵值對對象），默認取process.env的值； -
encoding：字符編碼，默認值為：utf8； -
shell：處理命令字符串的可執行文件，Unix上默認值為/bin/sh，Windows上默認值取process.env.ComSpec的值（如為空則為cmd.exe）；比如：const { exec } = require('child_process'); exec("print('Hello World!')", { shell: 'python' }, (error, stdout, stderr) => { console.log(stdout); });運行上面的例子將輸出
Hello World!，這等同于子進程執行了python -c "print('Hello World!')"命令，因此在使用該屬性時需要注意，所指定的可執行文件必須支持通過-c選項來執行相關語句。注：碰巧
Node.js也支持-c選項，但它等同于--check選項，只用來檢測指定的腳本是否存在語法錯誤，并不會執行相關腳本。 -
signal：使用指定的 AbortSignal 終止子進程，該屬性在 v14.17.0 以上可用，比如：const { exec } = require('child_process'); const ac = new AbortController(); exec('ls -al', { signal: ac.signal }, (error, stdout, stderr) => {});上例中，我們可通過調用
ac.abort()來提前終止子進程。 -
timeout：子進程的超時時間（如果該屬性的值大于0，那么當子進程運行時間超過指定值時，將會給子進程發送屬性killSignal指定的終止信號），單位毫米，默認值為0； -
maxBuffer：stdout 或 stderr 所允許的最大緩存（二進制），如果超出，子進程將會被殺死，并且將會截斷任何輸出，默認值為1024 * 1024； -
killSignal：子進程終止信號，默認值為SIGTERM； -
uid：執行子進程的uid； -
gid：執行子進程的gid； -
windowsHide：是否隱藏子進程的控制臺窗口，常用于Windows系統，默認值為false；
-
-
callback：回調函數，包含error、stdout、stderr三個參數：error：如果命令行執行成功，值為null，否則值為 Error 的一個實例，其中error.code為子進程的退出的錯誤碼，error.signal為子進程終止的信號；stdout和stderr：子進程的stdout和stderr，按照encoding屬性的值進行編碼，如果encoding的值為buffer，或者stdout、stderr的值是一個無法識別的字符串，將按照buffer進行編碼。
execFile
const { execFile } = require('child_process'); execFile('ls', ['-al'], (error, stdout, stderr) => { console.log(stdout); });
該方法的功能類似于 exec，唯一的區別是 execFile 在默認情況下直接用指定的可執行文件（即參數 file 的值）處理命令，這使得其效率略高于 exec（如果查看 shell 的處理邏輯，筆者感覺這效率可忽略不計）。
該方法的參數解釋如下：
-
file：可執行文件的名字或路徑； -
args：可執行文件的參數列表； -
options：參數設置（可不指定），相關屬性如下：shell：值為false時表示直接用指定的可執行文件（即參數file的值）處理命令，值為true或其它字符串時，作用等同于exec中的shell，默認值為false；windowsVerbatimArguments：在Windows中是否對參數進行引號或轉義處理，在Unix中將忽略該屬性，默認值為false；- 屬性
cwd、env、encoding、timeout、maxBuffer、killSignal、uid、gid、windowsHide、signal在上文中已介紹，此處不再重述。
-
callback：回調函數，等同于exec中的callback，此處不再闡述。
fork
const { fork } = require('child_process'); const echo = fork('./echo.js', { silent: true }); echo.stdout.on('data', (data) => { console.log(`stdout: ${data}`); }); echo.stderr.on('data', (data) => { console.error(`stderr: ${data}`); }); echo.on('close', (code) => { console.log(`child process exited with code ${code}`); });
該方法用于創建新的 Node.js 實例以執行指定的 Node.js 腳本，與父進程之間以 IPC 方式進行通信。
該方法的參數解釋如下：
-
modulePath：要運行的 Node.js 腳本路徑； -
args：傳遞給 Node.js 腳本的參數列表； -
options：參數設置（可不指定），相關屬性如：-
detached：參見下文對spwan中options.detached的說明； -
execPath：創建子進程的可執行文件； -
execArgv：傳遞給可執行文件的字符串參數列表，默認取process.execArgv的值； -
serialization：進程間消息的序列號類型，可用值為json和advanced，默認值為json； -
slient： 如果為true，子進程的stdin、stdout和stderr將通過管道傳遞給父進程，否則將繼承父進程的stdin、stdout和stderr；默認值為false； -
stdio：參見下文對spwan中options.stdio的說明。這里需要注意的是：- 如果指定了該屬性，將忽略
slient的值； - 必須包含一個值為
ipc的選項（比如[0, 1, 2, 'ipc']），否則將拋出異常。
- 如果指定了該屬性，將忽略
-
屬性
cwd、env、uid、gid、windowsVerbatimArguments、signal、timeout、killSignal在上文中已介紹，此處不再重述。
-
spwan
const { spawn } = require('child_process'); const ls = spawn('ls', ['-al']); ls.stdout.on('data', (data) => { console.log(`stdout: ${data}`); }); ls.stderr.on('data', (data) => { console.error(`stderr: ${data}`); }); ls.on('close', (code) => { console.log(`child process exited with code ${code}`); });
該方法為 child_process 模塊的基礎方法，exec、execFile、fork 最終都會調用 spawn 來創建子進程。
該方法的參數解釋如下：
-
command：可執行文件的名字或路徑； -
args：傳遞給可執行文件的參數列表； -
options：參數設置（可不指定），相關屬性如下：-
argv0：發送給子進程 argv[0] 的值，默認取參數command的值； -
detached：是否允許子進程可以獨立于父進程運行（即父進程退出后，子進程可以繼續運行），默認值為false，其值為true時，各平臺的效果如下所述：- 在
Windows系統中，父進程退出后，子進程可以繼續運行，并且子進程擁有自己的控制臺窗口（該特性一旦啟動后，在運行過程中將無法更改）； - 在非
Windows系統中，子進程將作為新進程會話組的組長，此刻不管子進程是否與父進程分離，子進程都可以在父進程退出后繼續運行。
需要注意的是，如果子進程需要執行長時間的任務，并且想要父進程提前退出，需要同時滿足以下幾點：
- 調用子進程的
unref方法從而將子進程從父進程的事件循環中剔除； detached設置為true；stdio為ignore。
比如下面的例子：
// hello.js const fs = require('fs'); let index = 0; function run() { setTimeout(() => { fs.writeFileSync('./hello', `index: ${index}`); if (index < 10) { index += 1; run(); } }, 1000); } run(); // main.js const { spawn } = require('child_process'); const child = spawn('node', ['./hello.js'], { detached: true, stdio: 'ignore' }); child.unref(); - 在
-
stdio：子進程標準輸入輸出配置，默認值為pipe，值為字符串或數組：- 值為字符串時，會將其轉換為含有三個項的數組（比如
pipe被轉換為['pipe', 'pipe', 'pipe']），可用值為pipe、overlapped、ignore、inherit； - 值為數組時，其中數組的前三項分別代表對
stdin、stdout和stderr的配置，每一項的可用值為pipe、overlapped、ignore、inherit、ipc、Stream 對象、正整數（在父進程打開的文件描述符）、null（如位于數組的前三項，等同于pipe，否則等同于ignore）、undefined（如位于數組的前三項，等同于pipe，否則等同于ignore）。
- 值為字符串時，會將其轉換為含有三個項的數組（比如
-
屬性
cwd、env、uid、gid、serialization、shell（值為boolean或string）、windowsVerbatimArguments、windowsHide、signal、timeout、killSignal在上文中已介紹，此處不再重述。
-
小結
上文對 child_process 模塊中主要方法的使用進行了簡短介紹，由于 execSync、execFileSync、forkSync、spwanSync 方法是 exec、execFile、spwan 的同步版本，其參數并無任何差異，故不再重述。
cluster
通過 cluster 模塊我們可以創建 Node.js 進程集群，通過 Node.js 進程進群，我們可以更加充分地利用多核的優勢，將程序任務分發到不同的進程中以提高程序的執行效率；下面將通過例子為大家介紹 cluster 模塊的使用：
const http = require('http'); const cluster = require('cluster'); const numCPUs = require('os').cpus().length; if (cluster.isPrimary) { for (let i = 0; i < numCPUs; i++) { cluster.fork(); } } else { http.createServer((req, res) => { res.writeHead(200); res.end(`${process.pid}n`); }).listen(8000); }
上例通過 cluster.isPrimary 屬性判斷（即判斷當前進程是否為主進程）將其分為兩個部分：
- 為真時，根據 CPU 內核的數量并通過
cluster.fork調用來創建相應數量的子進程； - 為假時，創建一個 HTTP server，并且每個 HTTP server 都監聽同一個端口（此處為
8000）。
運行上面的例子，并在瀏覽器中訪問 http://localhost:8000/，我們會發現每次訪問返回的 pid 都不一樣，這說明了請求確實被分發到了各個子進程。Node.js 默認采用的負載均衡策略是輪詢調度，可通過環境變量 NODE_CLUSTER_SCHED_POLICY 或 cluster.schedulingPolicy 屬性來修改其負載均衡策略：
NODE_CLUSTER_SCHED_POLICY = rr // 或 none cluster.schedulingPolicy = cluster.SCHED_RR; // 或 cluster.SCHED_NONE
另外需要注意的是，雖然每個子進程都創建了 HTTP server，并都監聽了同一個端口，但并不代表由這些子進程自由競爭用戶請求，因為這樣無法保證所有子進程的負載達到均衡。所以正確的流程應該是由主進程監聽端口，然后將用戶請求根據分發策略轉發到具體的子進程進行處理。
由于進程之間是相互隔離的，因此進程之間一般通過共享內存、消息傳遞、管道等機制進行通訊。Node.js 則是通過消息傳遞來完成父子進程之間的通信，比如下面的例子：
const http = require('http'); const cluster = require('cluster'); const numCPUs = require('os').cpus().length; if (cluster.isPrimary) { for (let i = 0; i < numCPUs; i++) { const worker = cluster.fork(); worker.on('message', (message) => { console.log(`I am primary(${process.pid}), I got message from worker: "${message}"`); worker.send(`Send message to worker`) }); } } else { process.on('message', (message) => { console.log(`I am worker(${process.pid}), I got message from primary: "${message}"`) }); http.createServer((req, res) => { res.writeHead(200); res.end(`${process.pid}n`); process.send('Send message to primary'); }).listen(8000); }
運行上面的例子，并訪問 http://localhost:8000/，再查看終端，我們會看到類似下面的輸出：
I am primary(44460), I got message from worker: "Send message to primary" I am worker(44461), I got message from primary: "Send message to worker" I am primary(44460), I got message from worker: "Send message to primary" I am worker(44462), I got message from primary: "Send message to worker"
利用該機制，我們可以監聽各子進程的狀態，以便在某個子進程出現意外后，能夠及時對其進行干預，以保證服務的可用性。
cluster 模塊的接口非常簡單，為了節省篇幅，這里只對 cluster.setupPrimary 方法做一些特別聲明，其它方法請查看官方文檔：
cluster.setupPrimary調用后，相關設置將同步到在cluster.settings屬性中，并且每次調用都基于當前cluster.settings屬性的值；cluster.setupPrimary調用后，對已運行的子進程沒有影響，只影響后續的cluster.fork調用；cluster.setupPrimary調用后，不影響后續傳遞給cluster.fork調用的env參數；cluster.setupPrimary只能在主進程中使用。
worker_threads
前文我們對 cluster 模塊進行了介紹，通過它我們可以創建 Node.js 進程集群以提高程序的運行效率，但 cluster 基于多進程模型，進程間高成本的切換以及進程間資源的隔離，會隨著子進程數量的增加，很容易導致因系統資源緊張而無法響應的問題。為解決此類問題，Node.js 提供了 worker_threads，下面我們通過具體的例子對該模塊的使用進行簡單介紹：
// server.js const http = require('http'); const { Worker } = require('worker_threads'); http.createServer((req, res) => { const httpWorker = new Worker('./http_worker.js'); httpWorker.on('message', (result) => { res.writeHead(200); res.end(`${result}n`); }); httpWorker.postMessage('Tom'); }).listen(8000); // http_worker.js const { parentPort } = require('worker_threads'); parentPort.on('message', (name) => { parentPort.postMessage(`Welcone ${name}!`); });
上例展示了 worker_threads 的簡單使用，在使用 worker_threads 的過程中，需要注意以下幾點：
-
通過
worker_threads.Worker創建 Worker 實例，其中 Worker 腳本既可以為一個獨立的JavaScript文件，也可以為字符串，比如上例可修改為：const code = "const { parentPort } = require('worker_threads'); parentPort.on('message', (name) => {parentPort.postMessage(`Welcone ${name}!`);})"; const httpWorker = new Worker(code, { eval: true }); -
通過
worker_threads.Worker創建 Worker 實例時，可以通過指定workerData的值來設置 Worker 子線程的初始元數據，比如：// server.js const { Worker } = require('worker_threads'); const httpWorker = new Worker('./http_worker.js', { workerData: { name: 'Tom'} }); // http_worker.js const { workerData } = require('worker_threads'); console.log(workerData); -
通過
worker_threads.Worker創建 Worker 實例時，可通過設置SHARE_ENV以實現在 Worker 子線程與主線程之間共享環境變量的需求，比如：const { Worker, SHARE_ENV } = require('worker_threads'); const worker = new Worker('process.env.SET_IN_WORKER = "foo"', { eval: true, env: SHARE_ENV }); worker.on('exit', () => { console.log(process.env.SET_IN_WORKER); }); -
不同于
cluster中進程間的通信機制，worker_threads采用的 MessageChannel 來進行線程間的通信：- Worker 子線程通過
parentPort.postMessage方法發送消息給主線程，并通過監聽parentPort的message事件來處理來自主線程的消息； - 主線程通過 Worker 子線程實例（此處為
httpWorker，以下均以此代替 Worker 子線程）的postMessage方法發送消息給httpWorker，并通過監聽httpWorker的message事件來處理來自 Worker 子線程的消息。
- Worker 子線程通過
在 Node.js 中，無論是 cluster 創建的子進程，還是 worker_threads 創建的 Worker 子線程，它們都擁有屬于自己的 V8 實例以及事件循環，所不同的是：
- 子進程之間的內存空間是互相隔離的，而 Worker 子線程共享所屬進程的內存空間；
- 子進程之間的切換成本要遠遠高于 Worker 子線程之間的切換成本。
盡管看起來 Worker 子線程比子進程更高效，但 Worker 子線程也有不足的地方，即cluster 提供了負載均衡，而 worker_threads 則需要我們自行完成負載均衡的設計與實現。
總結
本文介紹了 Node.js 中 child_process、cluster 和 worker_threads 三個模塊的使用，通過這三個模塊，我們可以充分利用 CPU 多核的優勢，并以多進（線）程的模式來高效地解決一些特殊任務（比如 AI、圖片處理等）的運行效率。每個模塊都有其適用的場景，文中僅對其基本使用進行了說明，如何結合自己的問題進行高效地運用，還需要大家自行摸索。最后，本文若有紕漏之處，還望大家能夠指正，祝大家快樂編碼每一天。
