一文搞懂 Node.js 中的多线程和多进程

时间 2020-01-03

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做者：Nastassia Ovchinnikova
翻译：疯狂的技术宅javascript

原文：https://flatlogic.com/blog/mu...前端

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Node.js 是一个免费的跨平台 JavaScript 运行时环境，尽管它本质上是单线程的，可是能够在后台使用多个线程来执行异步代码。node

因为 Node.js 的非阻塞性质，不一样的线程执行不一样的回调，这些回调首先委托给事件循环。 Node.js 运行时负责处理全部这一切。程序员

为何要使用NodeJS？

JavaScript 最初是做为一种单线程编程语言构建的，仅在 Web 浏览器中运行。这意味着在一个过程当中，只有一组指令可以在给定的时间执行。web

仅在当前代码块的执行完成后，才移至下一个代码块。可是，JavaScript 的单线程性质使实现变得容易。面试

最初，JavaScript 对于仅用于向网站添加少许交互。因此并无对多线程的需求。可是时代已经变了，用户要求也愈来愈高，JavaScript 已成为“Web 上流行的编程语言”。编程

多线程如今变得很广泛。因为 JavaScript 是单线程语言，所以没法在其中实现多线程。幸运的是，在这种状况下，有一个很好的解决方法：Node.js。segmentfault

Node.js 框架并很多，这要归功于 JavaScript 运行时环境（尤为是 JavaScript）的广泛流行。在继续本文以前，让咱们了解一些有关 Node.js 的重要观点：后端

能够用 send 函数将消息从子进程传递到其余子进程和主进程
支持 fork 多个进程
主进程和子进程之间不共享状态

为何要 fork 进程？

在两种状况下，咱们须要 fork 一个流程：

经过将任务委派给其余进程来提升速度
用于释放内存和卸载单个进程

能够将数据发送到子进程，也能够将其送回。

Node.js 的方式

Node.js 使用两种类型的线程：

经过事件循环处理主线程，
工做池中有许多辅助线程

事件循环负责获取回调或函数，并将其注册以供未来执行。它与正确的 JavaScript 代码在同一线程中运行。一旦 JavaScript 操做阻塞了线程，事件循环也会被阻塞。

工做池是一个执行模型，负责产生和处理不一样的线程。它同步执行任务，而后将结果返回到事件循环，最后事件循环将结果提供给回调。

总而言之，工做池负责异步 I/O 操做，即与系统磁盘和网络的交互。像 fs 和 crypto 这样的模块是使用工做池的主要模块。

因为工做池是在 libuv 库中实现的，Node.js 在 JS 和 C++ 之间进行内部通讯时会稍有延迟。不过这几乎是不可察觉的。

一切都很好，直到咱们遇到同步执行复杂操做的要求。任何须要大量时间执行的函数都会致使主线程阻塞。

若是程序具备多个占用大量 CPU 的函数，将会致使服务器吞吐量的显着降低。在最坏的状况下，服务器将会失去响应，而且没法将任务委派给工做池。

诸如 AI、大数据和机器学习之类的领域没法从 Node.js 中受益，由于这些操做阻塞了主线程，并使服务器失去响应。可是这随着 Node.js v10.5.0 的到来而改变，该版本增长了对多线程的支持。

并发和 CPU 绑定任务的挑战

在 JavaScript 中创建并发可能很困难。容许多个线程访问相同的内存会致使竞争状态，这不只使故障难以重现，并且解决起来也很困难。

Node.js 最初被实现为基于异步 I/O 的服务器端平台。经过简单地消除线程需求，这使不少事情变得容易。是的，Node.js 程序是单线程的，但不是典型的方式。

咱们能够在 Node.js 中并行运行，可是不须要建立线程。操做系统和虚拟机共同并行使用 I/O，而后在须要将数据发送回 JavaScript 代码时，JS 代码在单个线程中运行。

除 JS 代码外，全部内容均在 Node.js 中并行运行。与异步块不一样，JS 的同步块老是一次执行一次。与代码执行相比，等待 JS 中产生 I/O 事件所话费的时间要多得多。

Node.js 程序仅调用所需的函数或回调，而不会阻止其余代码的执行。最初 JavaScript 和 Node.js 都不打算处理 CPU 密集型或 CPU 绑定的任务。

当代码最少时，执行将会是敏捷的。可是计算量越大，执行速度就越慢。

若是你仍然尝试在 JS 和 Node 中完成 CPU 密集型任务，那么将会使浏览器中的 UI 冻结并对全部 I/O 事件进行排队处理。尽管如此，咱们已经走了很远。如今有了 worker_threads 模块。

worker_threads 模块使多线程变得简单

Node.js v10.5.0 于 2018 年 6 月发布，引入了 worker_threads 模块。它有助于在流行的 JavaScript 运行时环境中实现并发。该模块容许建立功能齐全的多线程 Node.js 应用。

从技术上讲，工做线程是在单独的线程中产生的一些代码。要开始使用辅助线程，须要先导入 worker_threads 模块。以后须要建立 Worker 类的实例以建立工做线程。

建立 Worker 类的实例时，有两个参数：

第一个参数提供扩展名 .js 或 .mjs 的文件路径，其中包含工做程序线程的代码，
第二个参数提供了一个包含 workerData 属性的对象，该属性包含工做线程开始执行时将访问的数据

辅助线程可以调度多个消息事件。所以，回调方法优先于返回 promise。

工做线程之间的通讯是基于事件的，即侦听器设置为在工做线程发送事件后当即调用。最多见的 4 个事件是：

worker.on('error', (error) => {});

当工做线程中有未捕获的异常时发出。接下来工做线程终止，而且该错误能够做为回调中的第一个参数使用。

worker.on('exit', (exitCode) => {})

当辅助线程退出时发出。若是在工做线程中调用了 process.exit()，则会将 exitCode 提供给回调。若是 worker.terminate() 终止工做线程，则代码为 1。

worker.on('message', (data) => {});

当工做线程将数据发送到父线程时发出。

worker.on('online', () => {});

当工做线程中止解析 JS 代码并开始执行时发出。尽管不经常使用，但 online 事件在特定状况下可能会提供更多信息。

使用工做线程的方式

有两种使用工做线程的方法：

方法 1 – 涉及产生工做线程，执行其代码并将结果发送到父线程。此方法须要每次为新任务从头建立新的 worker 线程。
方法 2 – 涉及生成 worker 线程并为消息事件设置侦听器。每次触发该消息时，辅助线程都会执行代码，并将结果发送回父线程。辅助线程保持活动状态，以备未来使用。

方法 2 也被称为工做池。这是由于该方法涉及建立 worker 的工做池，先让他们等待，并在须要时去调度消息事件来执行任务。

因为从头建立工做线程须要建立虚拟机以及解析和执行代码，所以官方 Node.js 文档建议采用方法 2。此外，方法 2 更为实用，比方法 1 更有效。

worker_threads 模块中可用的重要属性

isMainThread – 当不在工做线程内操做时，此属性为 true。若是须要，则能够在 worker 文件的开头包含一个简单的 if 语句。这样能够确保它仅做为工做线程运行。
parentPort – MessagePort 的实例，用于与父线程进行通讯。
threadId – 分配给工做线程的惟一标识符。
workerData – 包含在 worker 线程的构造函数中的数据。

Node.js 中的多进程

为了使 Node.js 利用多核系统的功能，能够用一些进程。流行的 javascript 运行时环境中有称被为 cluster 的模块，该模块提供对多进程的支持。

使用 cluster 模块能够产生多个子进程，这些子进程能够共享一个公共端口。当子进程投入使用时，使用 NodeJS 的系统能够处理更大的工做量。

后端的 Node.js

互联网已经成为全球数以百万计公司的首选平台。所以，为使一家企业发挥最大潜力，并在此过程当中脱颖而出，必须拥有强大的网络形象。

这一切都始于一个强大而直观的网站。要打造一个完美无瑕的网站，重要的是选择最佳的前端和后端技术。尽管本质上是单线程的，但 Node.js 是开发后端 Web 服务的首选。

尽管有大量的后端多线程选择，但知名公司仍是喜欢 Node.js。这是由于 Node.js 提供了在 JavaScript 中使用多线程的变通方法，而 JavaScript 已是“Web上最流行的编程语言”。

总结

worker_threads 模块提供了一种在 Node.js 程序中实现多线程的简便方法。经过将繁重的计算委派给工做线程，能够显着提升服务器的吞吐量。

借助对多线程的支持，Node.js 将继续吸引愈来愈多的来自 AI、大数据和机器学习等计算密集型领域的开发人员、工程师和其余专业人员。

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