Node的多进程服务如何实现

蜗牛 互联网技术资讯 2022-06-07 30 0

这篇文章主要介绍“Node的多进程服务如何实现”的相关知识,小编通过实际案例向大家展示操作过程,操作方法简单快捷,实用性强,希望这篇“Node的多进程服务如何实现”文章能帮助大家解决问题。

    我们现在已经知道了Node是单线程运行的,这表示潜在的错误有可能导致线程崩溃,然后进程也会随着退出,无法做到企业追求的稳定性;另一方面,单进程也无法充分多核CPU,这是对硬件本身的浪费。Node社区本身也意识到了这一问题,于是从0.1版本就提供了child_process模块,用来提供多进程的支持。

    1. child_process 模块

    child_process模块中包括了很多创建子进程的方法,包括forkspawnexecexecFile等等。它们的定义如下:

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

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

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

    • child_process.execFile(file[, args][, options][, callback])

    在这4个API中以spawn最为基础,因为其他三个API或多或少都是借助spawn实现的。

    2. spawn

    spawn方法的声明格式如下:

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

    spawn方法会使用指定的command来生成一个新进程,执行完对应的command后子进程会自动退出。

    该命令返回一个child_process对象,这代表开发者可以通过监听事件来获得命令执行的结果。

    下面我们使用spwan来执行ls命令:

    const spawn = require('child_process').spawn;
    const ls = spawn('ls', ['-1h', '/usr']);
    
    ls.stdout.on('data', (data) => {
        console.log('stdout: ', daata.toString());
    });
    
    ls.stderr.on('data', (data) => {
        console.log('stderr: ', daata.toString());
    });
    
    ls.on('close', (code) => {
        console.log('child process exited with code', code);
    });

    其中spawn的第一个参数虽然是command,但实际接收的却是一个file,可以在Linux或者Mac OSX上运行,这是由于ls命令也是以可执行文件形式存在的。

    类似的,在Windows系统下我们可以试着使用dir命令来实现功能类似的代码:

    const spawn = require('child_process').spawn;
    const ls = spawn('dir');
    
    ls.stdout.on('data', (data) => {
        console.log('stdout: ', daata.toString());
    });

    然而在Windows下执行上面代码会出现形如Error:spawn dir ENOENT的错误。

    原因就在于spawn实际接收的是一个文件名而非命令,正确的代码如下:

    const spawn = require('child_process').spawn;
    const ls = spawn('powershell', ['dir']);
    
    ls.stdout.on('data', (data) => {
        console.log('stdout: ', daata.toString());
    });

    这个问题的原因与操作系统本身有关,在Linux中,一般都是文件,命令行的命令也不例外,例如ls命令是一个名为ls的可执行文件;而在Windows中并没有名为dir的可执行文件,需要通过cmd或者powershell之类的工具提供执行环境。

    3. fork

    在Linux环境下,创建一个新进程的本质是复制一个当前的进程,当用户调用 fork 后,操作系统会先为这个新进程分配空间,然后将父进程的数据原样复制一份过去,父进程和子进程只有少数值不同,例如进程标识符(PD)。

    对于 Node 来说,父进程和子进程都有独立的内存空间和独立的 V8 实例,它们和父进程唯一的联系是用来进程间通信的 IPC Channel。

    此外,Node中fork和 POSIX 系统调用的不同之处在于Node中的fork并不会复制父进程。

    Node中的fork是上面提到的spawn的一种特例,前面也提到了Node中的fork并不会复制当前进程。多数情况下,fork接收的第一个参数是一个文件名,使用fork("xx.js")相当于在命令行下调用node xx.js,并且父进程和子进程之间可以通过process.send方法来进行通信。

    下面我们来看一个简单的栗子:

    // master.js 调用 fork 来创建一个子进程
    const child_process = require('child_process');
    const worker = child_process.fork('worker.js', ['args1']);
    worker.on('exit', () => {
      console.log('child process exit');
    });
    worker.send({ msg: 'hello child' });
    worker.on('message', msg => {
      console.log('from child: ', msg);
    });
    
    
    // worker.js
    const begin = process.argv[2];
    console.log('I am worker ' + begin);
    process.on('message', msg => {
      console.log('from parent ', msg);
      process.exit();
    });
    process.send({ msg: 'hello parent' });

    fork内部会通过spawn调用process.executePath,即Node的可执行文件地址来生成一个Node实例,然后再用这个实例来执行fork方法的modulePath参数。

    输出结果为:

    I am worker args1
    from parent  { msg: 'hello child' }
    from child:  { msg: 'hello parent' }
    child process exit

    4. exec 和 execFile

    如果我们开发一种系统,那么对于不同的模块可能会用到不同的技术来实现,例如 Web服务器使用 Node ,然后再使用 Java 的消息队列提供发布订阅服务,这种情况下通常使用进程间通信的方式来实现。

    但有时开发者不希望使用这么复杂的方式,或者要调用的干脆是一个黑盒系统,即无法通过修改源码来进行来实现进程间通信,这时候往往采用折中的方式,例如通过 shell 来调用目标服务,然后再拿到对应的输出。

    child_process提供了一个execFile方法,它的声明如下:

    child_process.execFile(file, args, options, callback)

    说明:

    • file {String}要运行的程序的文件名

    • args {Array}字符串参数列表

    • options {Object}

      • cwd {String}子进程的当前工作目录

      • env {Object}环境变量键值对

      • encoding {String}编码(默认为 'utf8'

      • timeout {Number}超时(默认为 0)

      • maxBuffer {Number}缓冲区大小(默认为 200*1024)

      • killSignal {String}结束信号(默认为'SIGTERM'

    • callback {Function}进程结束时回调并带上输出

      • error {Error}

      • stdout {Buffer}

      • stderr {Buffer}

      • 返回:ChildProcess对象

    可以看出,execfilespawn在形式上的主要区别在于execfile提供了一个回调函数,通过这个回调函数可以获得子进程的标准输出/错误流。

    使用 shell 进行跨进程调用长久以来被认为是不稳定的,这大概源于人们对控制台不友好的交互体验的恐惧(输入命令后,很可能长时间看不到一个输出,尽管后台可能在一直运算,但在用户看来和死机无异)。

    在 Linux下执行exec命令后,原有进程会被替换成新的进程,进而失去对新进程的控制,这代表着新进程的状态也没办法获取了,此外还有 shell 本身运行出现错误,或者因为各种原因出现长时间卡顿甚至失去响应等情况。

    Node.js 提供了比较好的解决方案,timeout解决了长时间卡顿的问题,stdoutstderr则提供了标准输出和错误输出,使得子进程的状态可以被获取。

    5. 各方法之间的比较

    5.1 spawn 和 execFile

    为了更好地说明,我们先写一段简单的 C 语言代码,并将其命名为 example.c:

    #include<stdio.h>
    int main() {
        printf("%s", "Hello World!");
        return 5;
    }

    使用 gcc 编译该文件:

    gcc example.c -o example

    生成名为example的可执行文件,然后将这个可执行文件放到系统环境变量中,然后打开控制台,输入example,看到最后输出"Hello World"

    确保这个可执行文件在任意路径下都能访问。

    我们分别用spawnexecfile来调用example文件。

    首先是spawn

    const spawn = require('child_process').spawn;
    const ls = spawn('example');
    
    ls.stdout.on('data', (data) => {
        console.log('stdout: ', daata.toString());
    });
    
    ls.stderr.on('data', (data) => {
        console.log('stderr: ', daata.toString());
    });
    
    ls.on('close', (code) => {
        console.log('child process exited with code', code);
    });

    程序输出:

    stdout: Hello World!
    child process exited with code 5

    程序正确打印出了Hello World,此外还可以看到example最后的return 5会被作为子进程结束的code被返回。

    然后是execFile

    const exec = require('child_process').exec;
    const child = exec('example', (error, stdout, stderr) => {
        if (error) {
            throw error;
        }
        console.log(stdout);
    });

    同样打印出Hello World,可见除了调用形式不同,二者相差不大。

    5.2 execFile 和 spawn

    在子进程的信息交互方面,spawn使用了流式处理的方式,当子进程产生数据时,主进程可以通过监听事件来获取消息;而exec是将所有返回的信息放在stdout里面一次性返回的,也就是该方法的maxBuffer参数,当子进程的输出超过这个大小时,会产生一个错误。

    此外,spawn有一个名为shell的参数:

    其类型为一个布尔值或者字符串,如果这个值被设置为true,,就会启动一个 shell 来执行命令,这个 shell 在 UNIX上是 bin/sh,,在Windows上则是cmd.exe。

    5.3 exec 和 execFile

    exec在内部也是通过调用execFile来实现的,我们可以从源码中验证这一点,在早期的Node源码中,exec命令会根据当前环境来初始化一个 shell,,例如 cmd.exe 或者 bin/sh,然后在shell中调用作为参数的命令。

    通常execFile的效率要高于exec,这是因为execFile没有启动一个 shell,而是直接调用 spawn来实现的。

    6. 进程间通信

    前面介绍的几个用于创建进程的方法,都是属于child_process的类方法,此外childProcess类继承了EventEmitter,在childProcess中引入事件给进程间通信带来很大的便利。

    childProcess中定义了如下事件。

    • Event:'close':进程的输入输出流关闭时会触发该事件。

    • Event:'disconnect':通常childProcess.disconnect调用后会触发这一事件。

    • Event:'exit':进程退出时触发。

    • Event:'message':调用child_process.send会触发这一事件

    • Event:'error':该事件的触发分为几种情况:

      • 该进程无法创建子进程。

      • 该进程无法通过kill方法关闭。

      • 无法发送消息给子进程。

    Event:'error'事件无法保证一定会被触发,因为可能会遇到一些极端情况,例如服务器断电等。

    上面也提到,childProcess模块定义了send方法,用于进程间通信,该方法的声明如下:

    child.send(message[, sendHandle[, options]][, callback])

    通过send方法发送的消息,可以通过监听message事件来获取。

    // master.js 父进程向子进程发送消息
    const child_process = require('child_process');
    const worker = child_process.fork('worker.js', ['args1']);
    worker.on('exit', () => {
      console.log('child process exit');
    });
    worker.send({ msg: 'hello child' });
    worker.on('message', msg => {
      console.log('from child: ', msg);
    });
    
    
    // worker.js 子进程接收父进程消息
    const begin = process.argv[2];
    console.log('I am worker ' + begin);
    process.on('message', msg => {
      console.log('from parent ', msg);
      process.exit();
    });
    process.send({ msg: 'hello parent' });

    send方法的第一个参数类型通常为一个json对象或者原始类型,第二个参数是一个句柄,该句柄可以是一个net.Socket或者net.Server对象。下面是一个例子:

    //master.js 父进程发送一个 Socket 对象
    const child = require('child_process').fork('worker.js');
    // Open up the server object and send the handle.
    const server = require('net').createServer();
    server.on('connection', socket => {
      socket.end('handled by parent');
    });
    server.listen(1337, () => {
      child.send('server', server);
    });
    
    
    //worker.js 子进程接收 Socket 对象
    process.on('message', (m, server) => {
      if (m === 'server') {
        server.on('connection', socket => {
          socket.end('handled by child');
        });
      }
    });

    7. Cluster

    前面已经介绍了child_process的使用,child_process的一个重要使用场景是创建多进程服务来保证服务稳定运行。

    为了统一 Node 创建多进程服务的方式,Node 在之后的版本中增加了Cluster模块,Cluster可以看作是做了封装的child_Process模块。

    Cluster模块的一个显著优点是可以共享同一个socket连接,这代表可以使用Cluster模块实现简单的负载均衡。

    下面是Cluster的简单栗子:

    const cluster = require('cluster');
    const http = require('http');
    const numCPUs = require('os').cpus().length;
    
    if (cluster.isMaster) {
      console.log('Master process id is', process.pid);
      // Fork workers.
      for (let i = 0; i < numCPUs; i++) {
        cluster.fork();
      }
      cluster.on('exit', (worker, code, signal) => {
        console.log('worker process died, id ', worker.process.pid);
      });
    } else {
      // Worker 可以共享同一个 TCP 连接
      // 这里的例子是一个 http 服务器
      http.createServer((req, res) => {
        res.writeHead(200);
        res.end('hello world\n');
      }).listen(8000);
    
      console.log('Worker started, process id', process.pid);
    }

    上面是使用Cluster模块的一个简单的例子,为了充分利用多核CPU,先调用OS模块的cpus()方法来获得CPU的核心数,假设主机装有两个 CPU,每个CPU有4个核,那么总核数就是8。

    在上面的代码中,Cluster模块调用fork方法来创建子进程,该方法和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,由master进程来管理所有的子进程,可以使用cluster.isMaster属性判断当前进程是master还是worker,其中主进程不负责具体的任务处理,其主要工作是负责调度和管理,上面的代码中,所有的子进程都监听8000端口。

    通常情况下,如果多个 Node 进程监听同一个端口时会出现Error: listen EADDRINUS的错误,而Cluster模块能够让多个子进程监听同一个端口的原因是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。

    关于“Node的多进程服务如何实现”的内容就介绍到这里了,感谢大家的阅读。如果想了解更多行业相关的知识,可以关注蜗牛博客行业资讯频道,小编每天都会为大家更新不同的知识点。

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