深入了解 Node 的多进程服务

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深入了解 Node 的多进程服务

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fork、spawn、exec、execFile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])
复制代码

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);
});
复制代码

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());
});
复制代码

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

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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());
});
复制代码

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' });
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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
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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) 
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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，execfile和spawn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，stdout和stderr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;
}
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使用 gcc 编译该文件：

gcc example.c -o example
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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spawn和execfile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);
});
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程序输出：

stdout: Hello World!
child process exited with code 5
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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);
});
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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])
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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' });
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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');
    });
  }
});
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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);
}
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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。