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  • 深入浅析Node.js 中的多线程和多进程

    爱上源码网文章深入浅析Node.js 中的多线程和多进程的内容插图

    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,但是可以在后台使用多个线程来执行异步代码。

    由于 Node.js 的非阻塞性质,不同的线程执行不同的回调,这些回调首先委托给事件循环。 Node.js 运行时负责处理所有这一切。【视频教程推荐:node js教程 】

    为什么要使用NodeJS?

    JavaScript 最初是作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中,只有一组指令能够在给定的时间执行。

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

    最初,JavaScript 对于仅用于向网站添加少量交互。所以并没有对多线程的需求。但是时代已经变了,用户要求也越来越高,JavaScript 已成为“Web 上行的编程语言”。

    多线程现在变得很普遍。由于 JavaScript 是单线程语言,因此无法在其中实现多线程。幸运的是,在这种情况下,有一个很好的解决方法:Node.js。

    Node.js 框架并不少,这要归功于 JavaScript 运行时环境(尤其是 JavaScript)的普遍流行。在继续本文之前,让我们了解一些有关 Node.js 的重要观点:

    1. 可以用 send 函数将消息从子进程传递到其他子进程和主进程
    2. 支持 fork 多个进程
    3. 主进程和子进程之间不共享状态

    为什么要 fork 进程?

    在两种情况下,我们需要 fork 一个流程:

    1. 通过将任务委派给其他进程来提高速度
    2. 用于释放内存和卸载单个进程

    可以将数据发送到子进程,也可以将其送回。

    Node.js 的方式

    Node.js 使用两种类型的线程:

    1. 通过事件循环处理主线程,
    2. 工作池中有许多辅助线程

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

    工作池是一个执行模型,负责产生和处理不同的线程。它同步执行任务,然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,工作池负责异步 I/O 操作,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作池的主要模块。

    由于工作池是在 libuv 库中实现的,Node.js 在 JS 和 C++ 之间进行内部通信时会稍有延迟。不过这几乎是不可察觉的。

    一切都很好,直到我们遇到同步执行复杂操作的要求。任何需要大量时间执行的函数都会导致主线程阻塞。

    如果程序具有多个占用大量 CPU 的函数,将会导致服务器吞吐量的显着下降。在最坏的情况下,服务器将会失去响应,并且无法将任务委派给工作池。

    诸如 AI、大数据和机器学习之类的领域无法从 Node.js 中受益,因为这些操作阻塞了主线程,并使服务器失去响应。但是这随着 Node.js v10.5.0 的到来而改变,该版本增加了对多线程的支持。

    并发和 CPU 绑定任务的挑战

    在 JavaScript 中建立并发可能很困难。允许多个线程访问相同的内存会导致竞争状态,这不仅使故障难以重现,而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。通过简单地消除线程需求,这使很多事情变得容易。是的,Node.js 程序是单线程的,但不是典型的方式。

    我们可以在 Node.js 中并行运行,但是不需要创建线程。操作系统和虚拟机共同并行使用 I/O,然后在需要将数据发送回 JavaScript 代码时,JS 代码在单个线程中运行。

    除 JS 代码外,所有内容均在 Node.js 中并行运行。与异步块不同,JS 的同步块总是一次执行一次。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,而不会阻止其他代码的执行。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。但是计算量越大,执行速度就越慢。

    如果你仍然尝试在 JS 和 Node 中完成 CPU 密集型任务,那么将会使浏览器中的 UI 冻结并对所有 I/O 事件进行排队处理。尽管如此,我们已经走了很远。现在有了 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。该模块允许创建功能齐全的多线程 Node.js 应用。

    从技术上讲,工作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,需要先导入 worker_threads 模块。之后需要创建 Worker 类的实例以创建工作线程。

    创建 Worker 类的实例时,有两个参数:

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

    辅助线程能够调度多个消息事件。因此,回调方法优先于返回 promise。

    工作线程之间的通信是基于事件的,即侦听器设置为在工作线程发送事件后立即调用。最常见的 4 个事件是:

    worker.on('error', (error) => {});
    1. 当工作线程中有未捕获的异常时发出。接下来工作线程终止,并且该错误可以作为回调中的第一个参数使用。
    worker.on('exit', (exitCode) => {})
    1. 当辅助线程退出时发出。如果在工作线程中调用了 process.exit(),则会将 exitCode 提供给回调。如果 worker.terminate() 终止工作线程,则代码为 1。
    worker.on('message', (data) => {});
    1. 当工作线程将数据发送到父线程时发出。
    worker.on('online', () => {});
    1. 当工作线程停止解析 JS 代码并开始执行时发出。尽管不常用,但 online 事件在特定情况下可能会提供更多信息。

    使用工作线程的方式

    有两种使用工作线程的方法:

    • 方法 1 – 涉及产生工作线程,执行其代码并将结果发送到父线程。此方法需要每次为新任务从头创建新的 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,以备将来使用。

    方法 2 也被称为工作池。这是因为该方法涉及创建 worker 的工作池,先让他们等待,并在需要时去调度消息事件来执行任务。

    由于从头创建工作线程需要创建虚拟机以及解析和执行代码,因此官方 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 – 当不在工作线程内操作时,此属性为 true。如果需要,则可以在 worker 文件的开头包含一个简单的 if 语句。这样可以确保它仅作为工作线程运行。
    • parentPort – MessagePort 的实例,用于与父线程进行通信。
    • threadId – 分配给工作线程的唯一标识符。
    • 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,可以用一些进程。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 模块可以产生多个子进程,这些子进程可以共享一个公共端口。当子进程投入使用时,使用 NodeJS 的系统可以处理更大的工作量。

    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。因此,为使一家企业发挥最大潜力,并在此过程中脱颖而出,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,但知名公司还是喜欢 Node.js。这是因为 Node.js 提供了在 JavaScript 中使用多线程的变通方法,而 JavaScript 已经是“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。通过将繁重的计算委派给工作线程,可以显着提高服务器的吞吐量。

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

    英文原文地址:https://flatlogic.com/blog/multi-threading-and-multiple-process-in-node-js/

    为了保证的可读性,本文采用意译而非直译。

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