Node.js中多線程和多進(jìn)程的案例分析

這篇文章給大家分享的是有關(guān)Node.js中多線程和多進(jìn)程的案例分析的內(nèi)容。小編覺得挺實(shí)用的，因此分享給大家做個(gè)參考。一起跟隨小編過來看看吧。

Node.js 是一個(gè)免費(fèi)的跨平臺(tái) JavaScript 運(yùn)行時(shí)環(huán)境，盡管它本質(zhì)上是單線程的，但是可以在后臺(tái)使用多個(gè)線程來執(zhí)行異步代碼。

由于 Node.js 的非阻塞性質(zhì)，不同的線程執(zhí)行不同的回調(diào)，這些回調(diào)首先委托給事件循環(huán)。 Node.js 運(yùn)行時(shí)負(fù)責(zé)處理所有這一切?！疽曨l教程推薦：node js教程 】

為什么要使用NodeJS？

JavaScript 最初是作為一種單線程編程語言構(gòu)建的，僅在 Web 瀏覽器中運(yùn)行。這意味著在一個(gè)過程中，只有一組指令能夠在給定的時(shí)間執(zhí)行。

僅在當(dāng)前代碼塊的執(zhí)行完成后，才移至下一個(gè)代碼塊。但是，JavaScript 的單線程性質(zhì)使實(shí)現(xiàn)變得容易。

最初，JavaScript 對于僅用于向網(wǎng)站添加少量交互。所以并沒有對多線程的需求。但是時(shí)代已經(jīng)變了，用戶要求也越來越高，JavaScript 已成為“Web 上流行的編程語言”。

多線程現(xiàn)在變得很普遍。由于 JavaScript 是單線程語言，因此無法在其中實(shí)現(xiàn)多線程。幸運(yùn)的是，在這種情況下，有一個(gè)很好的解決方法：Node.js。

Node.js 框架并不少，這要?dú)w功于 JavaScript 運(yùn)行時(shí)環(huán)境（尤其是 JavaScript）的普遍流行。在繼續(xù)本文之前，讓我們了解一些有關(guān) Node.js 的重要觀點(diǎn)：

1. 可以用 send 函數(shù)將消息從子進(jìn)程傳遞到其他子進(jìn)程和主進(jìn)程
2. 支持 fork 多個(gè)進(jìn)程
3. 主進(jìn)程和子進(jìn)程之間不共享狀態(tài)

為什么要 fork 進(jìn)程？

在兩種情況下，我們需要 fork 一個(gè)流程：

1. 通過將任務(wù)委派給其他進(jìn)程來提高速度
2. 用于釋放內(nèi)存和卸載單個(gè)進(jìn)程

可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到子進(jìn)程，也可以將其送回。

Node.js 的方式

Node.js 使用兩種類型的線程：

1. 通過事件循環(huán)處理主線程，
2. 工作池中有許多輔助線程

事件循環(huán)負(fù)責(zé)獲取回調(diào)或函數(shù)，并將其注冊以供將來執(zhí)行。它與正確的 JavaScript 代碼在同一線程中運(yùn)行。一旦 JavaScript 操作阻塞了線程，事件循環(huán)也會(huì)被阻塞。

工作池是一個(gè)執(zhí)行模型，負(fù)責(zé)產(chǎn)生和處理不同的線程。它同步執(zhí)行任務(wù)，然后將結(jié)果返回到事件循環(huán)，最后事件循環(huán)將結(jié)果提供給回調(diào)。

總而言之，工作池負(fù)責(zé)異步 I/O 操作，即與系統(tǒng)磁盤和網(wǎng)絡(luò)的交互。像 fs 和 crypto 這樣的模塊是使用工作池的主要模塊。

由于工作池是在 libuv 庫中實(shí)現(xiàn)的，Node.js 在 JS 和 C++ 之間進(jìn)行內(nèi)部通信時(shí)會(huì)稍有延遲。不過這幾乎是不可察覺的。

一切都很好，直到我們遇到同步執(zhí)行復(fù)雜操作的要求。任何需要大量時(shí)間執(zhí)行的函數(shù)都會(huì)導(dǎo)致主線程阻塞。

如果程序具有多個(gè)占用大量 CPU 的函數(shù)，將會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器吞吐量的顯著下降。在最壞的情況下，服務(wù)器將會(huì)失去響應(yīng)，并且無法將任務(wù)委派給工作池。

諸如 AI、大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)之類的領(lǐng)域無法從 Node.js 中受益，因?yàn)檫@些操作阻塞了主線程，并使服務(wù)器失去響應(yīng)。但是這隨著 Node.js v10.5.0 的到來而改變，該版本增加了對多線程的支持。

并發(fā)和 CPU 綁定任務(wù)的挑戰(zhàn)

在 JavaScript 中建立并發(fā)可能很困難。允許多個(gè)線程訪問相同的內(nèi)存會(huì)導(dǎo)致競爭狀態(tài)，這不僅使故障難以重現(xiàn)，而且解決起來也很困難。

Node.js 最初被實(shí)現(xiàn)為基于異步 I/O 的服務(wù)器端平臺(tái)。通過簡單地消除線程需求，這使很多事情變得容易。是的，Node.js 程序是單線程的，但不是典型的方式。

我們可以在 Node.js 中并行運(yùn)行，但是不需要?jiǎng)?chuàng)建線程。操作系統(tǒng)和虛擬機(jī)共同并行使用 I/O，然后在需要將數(shù)據(jù)發(fā)送回 JavaScript 代碼時(shí)，JS 代碼在單個(gè)線程中運(yùn)行。

除 JS 代碼外，所有內(nèi)容均在 Node.js 中并行運(yùn)行。與異步塊不同，JS 的同步塊總是一次執(zhí)行一次。與代碼執(zhí)行相比，等待 JS 中產(chǎn)生 I/O 事件所話費(fèi)的時(shí)間要多得多。

Node.js 程序僅調(diào)用所需的函數(shù)或回調(diào)，而不會(huì)阻止其他代碼的執(zhí)行。最初 JavaScript 和 Node.js 都不打算處理 CPU 密集型或 CPU 綁定的任務(wù)。

當(dāng)代碼最少時(shí)，執(zhí)行將會(huì)是敏捷的。但是計(jì)算量越大，執(zhí)行速度就越慢。

如果你仍然嘗試在 JS 和 Node 中完成 CPU 密集型任務(wù)，那么將會(huì)使瀏覽器中的 UI 凍結(jié)并對所有 I/O 事件進(jìn)行排隊(duì)處理。盡管如此，我們已經(jīng)走了很遠(yuǎn)。現(xiàn)在有了 worker_threads 模塊。

worker_threads 模塊使多線程變得簡單

Node.js v10.5.0 于 2018 年 6 月發(fā)布，引入了 worker_threads 模塊。它有助于在流行的 JavaScript 運(yùn)行時(shí)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)并發(fā)。該模塊允許創(chuàng)建功能齊全的多線程 Node.js 應(yīng)用。

從技術(shù)上講，工作線程是在單獨(dú)的線程中產(chǎn)生的一些代碼。要開始使用輔助線程，需要先導(dǎo)入 worker_threads 模塊。之后需要?jiǎng)?chuàng)建 Worker 類的實(shí)例以創(chuàng)建工作線程。

創(chuàng)建 Worker 類的實(shí)例時(shí)，有兩個(gè)參數(shù)：

1. 第一個(gè)參數(shù)提供擴(kuò)展名 .js 或 .mjs 的文件路徑，其中包含工作程序線程的代碼，
2. 第二個(gè)參數(shù)提供了一個(gè)包含 workerData 屬性的對象，該屬性包含工作線程開始執(zhí)行時(shí)將訪問的數(shù)據(jù)

輔助線程能夠調(diào)度多個(gè)消息事件。因此，回調(diào)方法優(yōu)先于返回 promise。

工作線程之間的通信是基于事件的，即偵聽器設(shè)置為在工作線程發(fā)送事件后立即調(diào)用。最常見的 4 個(gè)事件是：

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

1. 當(dāng)工作線程中有未捕獲的異常時(shí)發(fā)出。接下來工作線程終止，并且該錯(cuò)誤可以作為回調(diào)中的第一個(gè)參數(shù)使用。

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

1. 當(dāng)輔助線程退出時(shí)發(fā)出。如果在工作線程中調(diào)用了 process.exit()，則會(huì)將 exitCode 提供給回調(diào)。如果 worker.terminate() 終止工作線程，則代碼為 1。

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

1. 當(dāng)工作線程將數(shù)據(jù)發(fā)送到父線程時(shí)發(fā)出。

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

1. 當(dāng)工作線程停止解析 JS 代碼并開始執(zhí)行時(shí)發(fā)出。盡管不常用，但 online 事件在特定情況下可能會(huì)提供更多信息。

使用工作線程的方式

有兩種使用工作線程的方法：

• 方法 1 – 涉及產(chǎn)生工作線程，執(zhí)行其代碼并將結(jié)果發(fā)送到父線程。此方法需要每次為新任務(wù)從頭創(chuàng)建新的 worker 線程。
• 方法 2 – 涉及生成 worker 線程并為消息事件設(shè)置偵聽器。每次觸發(fā)該消息時(shí)，輔助線程都會(huì)執(zhí)行代碼，并將結(jié)果發(fā)送回父線程。輔助線程保持活動(dòng)狀態(tài)，以備將來使用。

方法 2 也被稱為工作池。這是因?yàn)樵摲椒ㄉ婕皠?chuàng)建 worker 的工作池，先讓他們等待，并在需要時(shí)去調(diào)度消息事件來執(zhí)行任務(wù)。

由于從頭創(chuàng)建工作線程需要?jiǎng)?chuàng)建虛擬機(jī)以及解析和執(zhí)行代碼，因此官方 Node.js 文檔 建議采用方法 2。此外，方法 2 更為實(shí)用，比方法 1 更有效。

worker_threads 模塊中可用的重要屬性

• isMainThread – 當(dāng)不在工作線程內(nèi)操作時(shí)，此屬性為 true。如果需要，則可以在 worker 文件的開頭包含一個(gè)簡單的 if 語句。這樣可以確保它僅作為工作線程運(yùn)行。
• parentPort – MessagePort 的實(shí)例，用于與父線程進(jìn)行通信。
• threadId – 分配給工作線程的唯一標(biāo)識(shí)符。
• workerData – 包含在 worker 線程的構(gòu)造函數(shù)中的數(shù)據(jù)。

Node.js 中的多進(jìn)程

為了使 Node.js 利用多核系統(tǒng)的功能，可以用一些進(jìn)程。流行的 javascript 運(yùn)行時(shí)環(huán)境中有稱被為 cluster 的模塊，該模塊提供對多進(jìn)程的支持。

使用 cluster 模塊可以產(chǎn)生多個(gè)子進(jìn)程，這些子進(jìn)程可以共享一個(gè)公共端口。當(dāng)子進(jìn)程投入使用時(shí)，使用 NodeJS 的系統(tǒng)可以處理更大的工作量。

后端的 Node.js

互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為全球數(shù)以百萬計(jì)公司的首選平臺(tái)。因此，為使一家企業(yè)發(fā)揮最大潛力，并在此過程中脫穎而出，必須擁有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)形象。

這一切都始于一個(gè)強(qiáng)大而直觀的網(wǎng)站。要打造一個(gè)完美無瑕的網(wǎng)站，重要的是選擇最佳的前端和后端技術(shù)。盡管本質(zhì)上是單線程的，但 Node.js 是開發(fā)后端 Web 服務(wù)的首選。

盡管有大量的后端多線程選擇，但知名公司還是喜歡 Node.js。這是因?yàn)?Node.js 提供了在 JavaScript 中使用多線程的變通方法，而 JavaScript 已經(jīng)是“Web上最流行的編程語言”。

總結(jié)

worker_threads 模塊提供了一種在 Node.js 程序中實(shí)現(xiàn)多線程的簡便方法。通過將繁重的計(jì)算委派給工作線程，可以顯著提高服務(wù)器的吞吐量。

借助對多線程的支持，Node.js 將繼續(xù)吸引越來越多的來自 AI、大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)等計(jì)算密集型領(lǐng)域的開發(fā)人員、工程師和其他專業(yè)人員。

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