node.js中child_process模块和cluster模块的分析（代码示例）

  node遵循的是单线程单进程的模式，node的单线程是指js的引擎只有一个实例，且在nodejs的主线程中执行，同时node以事件驱动的方式处理IO等异步操作。node的单线程模式，只维持一个主线程，大大减少了线程间切换的开销。

  但是node的单线程使得在主线程不能进行CPU密集型操作，否则会阻塞主线程。对于CPU密集型操作，在node中通过child_process可以创建独立的子进程，父子进程通过IPC通信，子进程可以是外部应用也可以是node子程序，子进程执行后可以将结果返回给父进程。

  此外，node的单线程，以单一进程运行，因此无法利用多核CPU以及其他资源，为了调度多核CPU等资源，node还提供了cluster模块，利用多核CPU的资源，使得可以通过一串node子进程去处理负载任务，同时保证一定的负载均衡型。本文从node的单线程单进程的理解触发，介绍了child_process模块和cluster模块

一、node中的单线程和单进程

  首先要理解的概念是，node的单线程和单进程的模式。node的单线程于其他语言的多线程模式相比，减小了线程间切换的开销，以及在写node代码的时候不用考虑锁以及线程池的问题。node宣称的单线程模式，比其他语言更加适合IO密集型操作。那么一个经典的问题是：

node是真的单线程的吗？

提到node，我们就可以立刻想到单线程、异步IO、事件驱动等字眼。首先要明确的是node真的是单线程的吗，如果是单线程的，那么异步IO，以及定时事件（setTimeout、setInterval等）又是在哪里被执行的。

严格来说，node并不是单线程的。node中存在着多种线程，包括：

• js引擎执行的线程

• 定时器线程(setTimeout, setInterval)

• 异步http线程(ajax)

....

  我们平时所说的单线程是指node中只有一个js引擎在主线程上运行。其他异步IO和事件驱动相关的线程通过libuv来实现内部的线程池和线程调度。libv中存在了一个Event Loop，通过Event Loop来切换实现类似于多线程的效果。简单的来讲Event Loop就是维持一个执行栈和一个事件队列，当前执行栈中的如果发现异步IO以及定时器等函数，就会把这些异步回调函数放入到事件队列中。当前执行栈执行完成后，从事件队列中，按照一定的顺序执行事件队列中的异步回调函数。

上图中从执行栈，到事件队列，最后事件队列中按照一定的顺序执行回调函数，整个过程就是一个简化版的Event Loop。此外回调函数执行时，同样会生成一个执行栈，在回调函数里面还有可能嵌套异步的函数，也就是说执行栈存在着嵌套。

也就是说node中的单线程是指js引擎只在唯一的主线程上运行，其他的异步操作，也是有独立的线程去执行，通过libv的Event Loop实现了类似于多线程的上下文切换以及线程池调度。线程是最小的进程，因此node也是单进程的。这样就解释了为什么node是单线程和单进程的。

二、node中的child_process模块实现多进程

  node是单进程的，必然存在一个问题，就是无法充分利用cpu等资源。node提供了child_process模块来实现子进程，从而实现一个广义上的多进程的模式。通过child_process模块，可以实现1个主进程，多个子进程的模式，主进程称为master进程，子进程又称工作进程。在子进程中不仅可以调用其他node程序，也可以执行非node程序以及shell命令等等，执行完子进程后，以流或者回调的形式返回。

1、child_process模块提供的API

child_process提供了4个方法，用于新建子进程，这4个方法分别为spawn、execFile、exec和fork。所有的方法都是异步的，可以用一张图来描述这4个方法的区别。

上图可以展示出这4个方法的区别，我们也可以简要介绍这4中方法的不同。

• spawn ： 子进程中执行的是非node程序，提供一组参数后，执行的结果以流的形式返回。

• execFile：子进程中执行的是非node程序，提供一组参数后，执行的结果以回调的形式返回。

• exec：子进程执行的是非node程序，传入一串shell命令，执行后结果以回调的形式返回，与execFile
  不同的是exec可以直接执行一串shell命令。

• fork：子进程执行的是node程序，提供一组参数后，执行的结果以流的形式返回，与spawn不同，fork生成的子进程只能执行node应用。接下来的小节将具体的介绍这一些方法。

2、execFile和exec

我们首先比较execFile和exec的区别，这两个方法的相同点：

执行的是非node应用，且执行后的结果以回调函数的形式返回。

不同点是：

exec是直接执行的一段shell命令，而execFile是执行的一个应用

举例来说，echo是UNIX系统的一个自带命令，我们直接可以在命令行执行：

echo hello world

结果，在命令行中会打印出hello world.

(1) 通过exec来实现

新建一个main.js文件中，如果要使用exec方法，那么则在该文件中写入：

let cp=require('child_process');
cp.exec('echo hello world',function(err,stdout){
  console.log(stdout);
});

执行这个main.js，结果会输出hello world。我们发现exec的第一个参数，跟shell命令完全相似。

(2)通过execFile来实现

let cp=require('child_process');
cp.execFile('echo',['hello','world'],function(err,stdout){
   console.log(stdout);
});

execFile类似于执行了名为echo的应用，然后传入参数。execFlie会在process.env.PATH的路径中依次寻找是否有名为'echo'的应用，找到后就会执行。默认的process.env.PATH路径中包含了'usr/local/bin',而这个'usr/local/bin'目录中就存在了这个名为'echo'的程序，传入hello和world两个参数，执行后返回。

(3)安全性分析

像exec那样，可以直接执行一段shell是极为不安全的，比如有这么一段shell：

echo hello world;rm -rf

通过exec是可以直接执行的，rm -rf会删除当前目录下的文件。exec正如命令行一样，执行的等级很高，执行后会出现安全性的问题，而execFile不同：

execFile('echo',['hello','world',';rm -rf'])

在传入参数的同时，会检测传入实参执行的安全性，如果存在安全性问题，会抛出异常。除了execFile外，spawn和fork也都不能直接执行shell，因此安全性较高。

3、spawn

spawn同样是用于执行非node应用，且不能直接执行shell，与execFile相比，spawn执行应用后的结果并不是执行完成后，一次性的输出的，而是以流的形式输出。对于大批量的数据输出，通过流的形式可以介绍内存的使用。

我们用一个文件的排序和去重来举例：

上述图片示意图中，首先读取的input.txt文件中有acba未经排序的文字，通过sort程序后可以实现排序功能，输出为aabc，最后通过uniq程序可以去重，得到abc。我们可以用spawn流形式的输入输出来实现上述功能：

let cp=require('child_process');
let cat=cp.spawn('cat',['input.txt']);
let sort=cp.spawn('sort');
let uniq=cp.spawn('uniq');

cat.stdout.pipe(sort.stdin);
sort.stdout.pipe(uniq.stdin);
uniq.stdout.pipe(process.stdout);
console.log(process.stdout);

执行后，最后的结果将输入到process.stdout中。如果input.txt这个文件较大，那么以流的形式输入输出可以明显减小内存的占用，通过设置缓冲区的形式，减小内存占用的同时也可以提高输入输出的效率。

4、fork

在javascript中，在处理大量计算的任务方面，HTML里面通过web work来实现，使得任务脱离了主线程。在node中使用了一种内置于父进程和子进程之间的通信来处理该问题，降低了大数据运行的压力。node中提供了fork方法，通过fork方法在单独的进程中执行node程序，并且通过父子间的通信，子进程接受父进程的信息，并将执行后的结果返回给父进程。

使用fork方法，可以在父进程和子进程之间开放一个IPC通道，使得不同的node进程间可以进行消息通信。

在子进程中：

通过process.on('message')和process.send()的机制来接收和发送消息。

在父进程中：

通过child.on('message')和process.send()的机制来接收和发送消息。

具体例子，在child.js中：

process.on('message',function(msg){
   process.send(msg)
})

在parent.js中：

let cp=require('child_process');
let child=cp.fork('./child');
child.on('message',function(msg){
  console.log('got a message is',msg);
});
child.send('hello world');

执行parent.js会在命令行输出：got a message is hello world

中断父子间通信的方式，可以通过在父进程中调用：

child.disconnect()

来实现断开父子间IPC通信。

5、同步执行的子进程

exec、execFile、spawn和fork执行的子进程都是默认异步的，子进程的运行不会阻塞主进程。除此之外，child_process模块同样也提供了execFileSync、spawnSync和execSync来实现同步的方式执行子进程。

三、node中的cluster模块

cluster意为集成，集成了两个方面，第一个方面就是集成了child_process.fork方法创建node子进程的方式，第二个方面就是集成了根据多核CPU创建子进程后，自动控制负载均衡的方式。

我们从官网的例子来看：

const cluster = require('cluster');
const http = require('http');
const numCPUs = require('os').cpus().length;

if (cluster.isMaster) {
  console.log(`主进程 ${process.pid} 正在运行`);

  // 衍生工作进程。
  for (let i = 0; i < numCPUs; i++) {
    cluster.fork();
  }

  cluster.on('exit', (worker, code, signal) => {
    console.log(`工作进程 ${worker.process.pid} 已退出`);
  });
} else {
  // 工作进程可以共享任何 TCP 连接。
  // 在本例子中，共享的是一个 HTTP 服务器。
  http.createServer((req, res) => {
    res.writeHead(200);
    res.end('你好世界\n');
  }).listen(8000);

  console.log(`工作进程 ${process.pid} 已启动`);
}

最后输出的结果为：

$ node server.js
主进程 3596 正在运行
工作进程 4324 已启动
工作进程 4520 已启动
工作进程 6056 已启动
工作进程 5644 已启动

我们将master称为主进程，而worker进程称为工作进程，利用cluster模块，使用node封装好的API、IPC通道和调度机可以非常简单的创建包括一个master进程下HTTP代理服务器 + 多个worker进程多个HTTP应用服务器的架构。

总结

本文首先介绍了node的单线程和单进程模式，接着从单线程的缺陷触发，介绍了node中如何实现子进程的方法，对比了child_process模块中几种不同的子进程生成方案，最后简单介绍了内置的可以实现子进程以及CPU进程负载均衡的内置集成模块cluster。

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