如何在nodejs中使用worker_threads創(chuàng)建線程

本篇文章為大家展示了如何在nodejs中使用worker_threads創(chuàng)建線程，內(nèi)容簡(jiǎn)明扼要并且容易理解，絕對(duì)能使你眼前一亮，通過(guò)這篇文章的詳細(xì)介紹希望你能有所收獲。

worker_threads

worker_threads模塊的源代碼源自lib/worker_threads.js，它指的是工作線程，可以開(kāi)啟一個(gè)新的線程來(lái)并行執(zhí)行javascript程序。

worker_threads主要用來(lái)處理CPU密集型操作,而不是IO操作，因?yàn)閚odejs本身的異步IO已經(jīng)非常強(qiáng)大了。

worker_threads中主要有5個(gè)屬性，3個(gè)class和3個(gè)主要的方法。接下來(lái)我們將會(huì)一一講解。

isMainThread

isMainThread用來(lái)判斷代碼是否在主線程中運(yùn)行，我們看一個(gè)使用的例子：

const { Worker, isMainThread } = require('worker_threads');

if (isMainThread) {
 console.log('在主線程中');
 new Worker(__filename);
} else {
 console.log('在工作線程中');
 console.log(isMainThread); // 打印 'false'。
}

上面的例子中，我們從worker_threads模塊中引入了Worker和isMainThread，Worker就是工作線程的主類，我們將會(huì)在后面詳細(xì)講解，這里我們使用Worker創(chuàng)建了一個(gè)工作線程。

MessageChannel

MessageChannel代表的是一個(gè)異步雙向通信channel。MessageChannel中沒(méi)有方法，主要通過(guò)MessageChannel來(lái)連接兩端的MessagePort。

class MessageChannel {
  readonly port1: MessagePort;
  readonly port2: MessagePort;
 }

當(dāng)我們使用new MessageChannel()的時(shí)候，會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建兩個(gè)MessagePort。

const { MessageChannel } = require('worker_threads');

const { port1, port2 } = new MessageChannel();
port1.on('message', (message) => console.log('received', message));
port2.postMessage({ foo: 'bar' });
// Prints: received { foo: 'bar' } from the `port1.on('message')` listener

通過(guò)MessageChannel，我們可以進(jìn)行MessagePort間的通信。

parentPort和MessagePort

parentPort是一個(gè)MessagePort類型，parentPort主要用于worker線程和主線程進(jìn)行消息交互。

通過(guò)parentPort.postMessage()發(fā)送的消息在主線程中將可以通過(guò)worker.on(‘message')接收。

主線程中通過(guò)worker.postMessage()發(fā)送的消息將可以在工作線程中通過(guò)parentPort.on(‘message')接收。

我們看一下MessagePort的定義：

class MessagePort extends EventEmitter {
  close(): void;
  postMessage(value: any, transferList?: Array<ArrayBuffer | MessagePort>): void;
  ref(): void;
  unref(): void;
  start(): void;

  addListener(event: "close", listener: () => void): this;
  addListener(event: "message", listener: (value: any) => void): this;
  addListener(event: string | symbol, listener: (...args: any[]) => void): this;

  emit(event: "close"): boolean;
  emit(event: "message", value: any): boolean;
  emit(event: string | symbol, ...args: any[]): boolean;

  on(event: "close", listener: () => void): this;
  on(event: "message", listener: (value: any) => void): this;
  on(event: string | symbol, listener: (...args: any[]) => void): this;

  once(event: "close", listener: () => void): this;
  once(event: "message", listener: (value: any) => void): this;
  once(event: string | symbol, listener: (...args: any[]) => void): this;

  prependListener(event: "close", listener: () => void): this;
  prependListener(event: "message", listener: (value: any) => void): this;
  prependListener(event: string | symbol, listener: (...args: any[]) => void): this;

  prependOnceListener(event: "close", listener: () => void): this;
  prependOnceListener(event: "message", listener: (value: any) => void): this;
  prependOnceListener(event: string | symbol, listener: (...args: any[]) => void): this;

  removeListener(event: "close", listener: () => void): this;
  removeListener(event: "message", listener: (value: any) => void): this;
  removeListener(event: string | symbol, listener: (...args: any[]) => void): this;

  off(event: "close", listener: () => void): this;
  off(event: "message", listener: (value: any) => void): this;
  off(event: string | symbol, listener: (...args: any[]) => void): this;
 }

MessagePort繼承自EventEmitter，它表示的是異步雙向通信channel的一端。這個(gè)channel就叫做MessageChannel，MessagePort通過(guò)MessageChannel來(lái)進(jìn)行通信。

我們可以通過(guò)MessagePort來(lái)傳輸結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)，內(nèi)存區(qū)域或者其他的MessagePorts。

從源代碼中，我們可以看到MessagePort中有兩個(gè)事件，close和message。

close事件將會(huì)在channel的中任何一端斷開(kāi)連接的時(shí)候觸發(fā)，而message事件將會(huì)在port.postMessage時(shí)候觸發(fā)，下面我們看一個(gè)例子：

const { MessageChannel } = require('worker_threads');
const { port1, port2 } = new MessageChannel();

// Prints:
// foobar
// closed!
port2.on('message', (message) => console.log(message));
port2.on('close', () => console.log('closed!'));

port1.postMessage('foobar');
port1.close();

port.on(‘message')實(shí)際上為message事件添加了一個(gè)listener，port還提供了addListener方法來(lái)手動(dòng)添加listener。

port.on(‘message')會(huì)自動(dòng)觸發(fā)port.start(）方法，表示啟動(dòng)一個(gè)port。

當(dāng)port有l(wèi)istener存在的時(shí)候，這表示port存在一個(gè)ref，當(dāng)存在ref的時(shí)候，程序是不會(huì)結(jié)束的。我們可以通過(guò)調(diào)用port.unref方法來(lái)取消這個(gè)ref。

接下來(lái)我們看一下怎么通過(guò)port來(lái)傳輸消息：

port.postMessage(value[, transferList])

postMessage可以接受兩個(gè)參數(shù)，第一個(gè)參數(shù)是value，這是一個(gè)JavaScript對(duì)象。第二個(gè)參數(shù)是transferList。

先看一個(gè)傳遞一個(gè)參數(shù)的情況：

const { MessageChannel } = require('worker_threads');
const { port1, port2 } = new MessageChannel();

port1.on('message', (message) => console.log(message));

const circularData = {};
circularData.foo = circularData;
// Prints: { foo: [Circular] }
port2.postMessage(circularData);

通常來(lái)說(shuō)postMessage發(fā)送的對(duì)象都是value的拷貝，但是如果你指定了transferList，那么在transferList中的對(duì)象將會(huì)被transfer到channel的接受端，并且不再存在于發(fā)送端，就好像把對(duì)象傳送出去一樣。

transferList是一個(gè)list，list中的對(duì)象可以是ArrayBuffer, MessagePort 和 FileHandle。

如果value中包含SharedArrayBuffer對(duì)象，那么該對(duì)象不能被包含在transferList中。

看一個(gè)包含兩個(gè)參數(shù)的例子：

const { MessageChannel } = require('worker_threads');
const { port1, port2 } = new MessageChannel();

port1.on('message', (message) => console.log(message));

const uint8Array = new Uint8Array([ 1, 2, 3, 4 ]);
// post uint8Array的拷貝:
port2.postMessage(uint8Array);

port2.postMessage(uint8Array, [ uint8Array.buffer ]);

//port2.postMessage(uint8Array);

上面的例子將輸出：

Uint8Array(4) [ 1, 2, 3, 4 ]
Uint8Array(4) [ 1, 2, 3, 4 ]

第一個(gè)postMessage是拷貝，第二個(gè)postMessage是transfer Uint8Array底層的buffer。

如果我們?cè)俅握{(diào)用port2.postMessage(uint8Array)，我們會(huì)得到下面的錯(cuò)誤：

DOMException [DataCloneError]: An ArrayBuffer is detached and could not be cloned.

buffer是TypedArray的底層存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，如果buffer被transfer，那么之前的TypedArray將會(huì)變得不可用。

markAsUntransferable

要想避免這個(gè)問(wèn)題，我們可以調(diào)用markAsUntransferable將buffer標(biāo)記為不可transferable. 我們看一個(gè)markAsUntransferable的例子：

const { MessageChannel, markAsUntransferable } = require('worker_threads');

const pooledBuffer = new ArrayBuffer(8);
const typedArray1 = new Uint8Array(pooledBuffer);
const typedArray2 = new Float64Array(pooledBuffer);

markAsUntransferable(pooledBuffer);

const { port1 } = new MessageChannel();
port1.postMessage(typedArray1, [ typedArray1.buffer ]);

console.log(typedArray1);
console.log(typedArray2);

SHARE_ENV

SHARE_ENV是傳遞給worker構(gòu)造函數(shù)的一個(gè)env變量，通過(guò)設(shè)置這個(gè)變量，我們可以在主線程與工作線程進(jìn)行共享環(huán)境變量的讀寫(xiě)。

const { Worker, SHARE_ENV } = require('worker_threads');
new Worker('process.env.SET_IN_WORKER = "foo"', { eval: true, env: SHARE_ENV })
 .on('exit', () => {
 console.log(process.env.SET_IN_WORKER); // Prints 'foo'.
 });

workerData

除了postMessage()，還可以通過(guò)在主線程中傳遞workerData給worker的構(gòu)造函數(shù)，從而將主線程中的數(shù)據(jù)傳遞給worker：

const { Worker, isMainThread, workerData } = require('worker_threads');

if (isMainThread) {
 const worker = new Worker(__filename, { workerData: 'Hello, world!' });
} else {
 console.log(workerData); // Prints 'Hello, world!'.
}

worker類

先看一下worker的定義：

 class Worker extends EventEmitter {
  readonly stdin: Writable | null;
  readonly stdout: Readable;
  readonly stderr: Readable;
  readonly threadId: number;
  readonly resourceLimits?: ResourceLimits;

  constructor(filename: string | URL, options?: WorkerOptions);

  postMessage(value: any, transferList?: Array<ArrayBuffer | MessagePort>): void;
  ref(): void;
  unref(): void;

  terminate(): Promise<number>;

  getHeapSnapshot(): Promise<Readable>;

  addListener(event: "error", listener: (err: Error) => void): this;
  addListener(event: "exit", listener: (exitCode: number) => void): this;
  addListener(event: "message", listener: (value: any) => void): this;
  addListener(event: "online", listener: () => void): this;
  addListener(event: string | symbol, listener: (...args: any[]) => void): this;

  ... 
 }

worker繼承自EventEmitter，并且包含了4個(gè)重要的事件：error，exit，message和online。

worker表示的是一個(gè)獨(dú)立的 JavaScript 執(zhí)行線程，我們可以通過(guò)傳遞filename或者URL來(lái)構(gòu)造worker。

每一個(gè)worker都有一對(duì)內(nèi)置的MessagePort，在worker創(chuàng)建的時(shí)候就會(huì)相互關(guān)聯(lián)。worker使用這對(duì)內(nèi)置的MessagePort來(lái)和父線程進(jìn)行通信。

通過(guò)parentPort.postMessage()發(fā)送的消息在主線程中將可以通過(guò)worker.on(‘message')接收。

主線程中通過(guò)worker.postMessage()發(fā)送的消息將可以在工作線程中通過(guò)parentPort.on(‘message')接收。

當(dāng)然，你也可以顯式的創(chuàng)建MessageChannel 對(duì)象，然后將MessagePort作為消息傳遞給其他線程，我們看一個(gè)例子：

const assert = require('assert');
const {
 Worker, MessageChannel, MessagePort, isMainThread, parentPort
} = require('worker_threads');
if (isMainThread) {
 const worker = new Worker(__filename);
 const subChannel = new MessageChannel();
 worker.postMessage({ hereIsYourPort: subChannel.port1 }, [subChannel.port1]);
 subChannel.port2.on('message', (value) => {
 console.log('接收到:', value);
 });
} else {
 parentPort.once('message', (value) => {
 assert(value.hereIsYourPort instanceof MessagePort);
 value.hereIsYourPort.postMessage('工作線程正在發(fā)送此消息');
 value.hereIsYourPort.close();
 });
}

上面的例子中，我們借助了worker和parentPort本身的消息傳遞功能，傳遞了一個(gè)顯式的MessageChannel中的MessagePort。

然后又通過(guò)該MessagePort來(lái)進(jìn)行消息的分發(fā)。

receiveMessageOnPort

除了port的on(‘message')方法之外，我們還可以使用receiveMessageOnPort來(lái)手動(dòng)接收消息：

const { MessageChannel, receiveMessageOnPort } = require('worker_threads');
const { port1, port2 } = new MessageChannel();
port1.postMessage({ hello: 'world' });

console.log(receiveMessageOnPort(port2));
// Prints: { message: { hello: 'world' } }
console.log(receiveMessageOnPort(port2));
// Prints: undefined

moveMessagePortToContext

先了解一下nodejs中的Context的概念，我們可以從vm中創(chuàng)建context，它是一個(gè)隔離的上下文環(huán)境，從而保證不同運(yùn)行環(huán)境的安全性，我們看一個(gè)context的例子：

const vm = require('vm');

const x = 1;

const context = { x: 2 };
vm.createContext(context); // 上下文隔離化對(duì)象。

const code = 'x += 40; var y = 17;';
// `x` and `y` 是上下文中的全局變量。
// 最初，x 的值為 2，因?yàn)檫@是 context.x 的值。
vm.runInContext(code, context);

console.log(context.x); // 42
console.log(context.y); // 17

console.log(x); // 1; y 沒(méi)有定義。

在worker中，我們可以將一個(gè)MessagePort move到其他的context中。

worker.moveMessagePortToContext(port, contextifiedSandbox)

這個(gè)方法接收兩個(gè)參數(shù)，第一個(gè)參數(shù)就是要move的MessagePort,第二個(gè)參數(shù)就是vm.createContext()創(chuàng)建的context對(duì)象。

worker_threads的線程池

上面我們提到了使用單個(gè)的worker thread，但是現(xiàn)在程序中一個(gè)線程往往是不夠的，我們需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)線程池來(lái)維護(hù)worker thread對(duì)象。

nodejs提供了AsyncResource類，來(lái)作為對(duì)異步資源的擴(kuò)展。

AsyncResource類是async_hooks模塊中的。

下面我們看下怎么使用AsyncResource類來(lái)創(chuàng)建worker的線程池。

假設(shè)我們有一個(gè)task，使用來(lái)執(zhí)行兩個(gè)數(shù)相加，腳本名字叫做task_processor.js：

const { parentPort } = require('worker_threads');
parentPort.on('message', (task) => {
 parentPort.postMessage(task.a + task.b);
});

下面是worker pool的實(shí)現(xiàn)：

const { AsyncResource } = require('async_hooks');
const { EventEmitter } = require('events');
const path = require('path');
const { Worker } = require('worker_threads');

const kTaskInfo = Symbol('kTaskInfo');
const kWorkerFreedEvent = Symbol('kWorkerFreedEvent');

class WorkerPoolTaskInfo extends AsyncResource {
 constructor(callback) {
 super('WorkerPoolTaskInfo');
 this.callback = callback;
 }

 done(err, result) {
 this.runInAsyncScope(this.callback, null, err, result);
 this.emitDestroy(); // `TaskInfo`s are used only once.
 }
}

class WorkerPool extends EventEmitter {
 constructor(numThreads) {
 super();
 this.numThreads = numThreads;
 this.workers = [];
 this.freeWorkers = [];

 for (let i = 0; i < numThreads; i++)
  this.addNewWorker();
 }

 addNewWorker() {
 const worker = new Worker(path.resolve(__dirname, 'task_processor.js'));
 worker.on('message', (result) => {
  // In case of success: Call the callback that was passed to `runTask`,
  // remove the `TaskInfo` associated with the Worker, and mark it as free
  // again.
  worker[kTaskInfo].done(null, result);
  worker[kTaskInfo] = null;
  this.freeWorkers.push(worker);
  this.emit(kWorkerFreedEvent);
 });
 worker.on('error', (err) => {
  // In case of an uncaught exception: Call the callback that was passed to
  // `runTask` with the error.
  if (worker[kTaskInfo])
  worker[kTaskInfo].done(err, null);
  else
  this.emit('error', err);
  // Remove the worker from the list and start a new Worker to replace the
  // current one.
  this.workers.splice(this.workers.indexOf(worker), 1);
  this.addNewWorker();
 });
 this.workers.push(worker);
 this.freeWorkers.push(worker);
 this.emit(kWorkerFreedEvent);
 }

 runTask(task, callback) {
 if (this.freeWorkers.length === 0) {
  // No free threads, wait until a worker thread becomes free.
  this.once(kWorkerFreedEvent, () => this.runTask(task, callback));
  return;
 }

 const worker = this.freeWorkers.pop();
 worker[kTaskInfo] = new WorkerPoolTaskInfo(callback);
 worker.postMessage(task);
 }

 close() {
 for (const worker of this.workers) worker.terminate();
 }
}

module.exports = WorkerPool;

我們給worker創(chuàng)建了一個(gè)新的kTaskInfo屬性，并且將異步的callback封裝到WorkerPoolTaskInfo中，賦值給worker.kTaskInfo.

接下來(lái)我們就可以使用workerPool了：

const WorkerPool = require('./worker_pool.js');
const os = require('os');

const pool = new WorkerPool(os.cpus().length);

let finished = 0;
for (let i = 0; i < 10; i++) {
 pool.runTask({ a: 42, b: 100 }, (err, result) => {
 console.log(i, err, result);
 if (++finished === 10)
  pool.close();
 });
}

上述內(nèi)容就是如何在nodejs中使用worker_threads創(chuàng)建線程，你們學(xué)到知識(shí)或技能了嗎？如果還想學(xué)到更多技能或者豐富自己的知識(shí)儲(chǔ)備，歡迎關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道。