Node.js 多线程完全指南总结

 更新时间:2019年03月27日 09:25:01   作者:疯狂的技术宅   我要评论

这篇文章主要介绍了Node.js 多线程完全指南总结,小编觉得挺不错的,现在分享给大家,也给大家做个参考。一起跟随小编过来看看吧

很多人都想知道单线程的 Node.js 怎么能与多线程后端竞争。考虑到其所谓的单线程特性,许多大公司选择 Node 作为其后端似乎违反?#26412;酢?#35201;想知道原因,必须理解其单线程的真正含义。

JavaScript 的设计非常适合在网上做比较简单的?#34385;椋?#27604;如验证表单,或者说创建彩虹色的鼠标轨迹。 在2009年,Node.js的创始人 Ryan Dahl使开发人员可以用该语言编写后端代码。

通常支持多线程的后端语言具有各种机制,用于在线程和其他面向线程的功能之间同步数据。要向 JavaScript 添加?#28304;?#31867;功能的支持,需要修改整个语言,这不是 Dahl 的目标。为了?#20040;?JavaScript 支持多线程,他必须想一个变通方法。接下来让我们探索一下其中的奥秘……

Node.js 是如何工作的

Node.js 使用两种线程:event loop 处理的主线程和 worker pool 中的几个辅助线程。

事件循环是一种机制,它采用回调(函数)并注册它们,准备在将来的某个时刻执?#23567;?#23427;与相关的 JavaScript 代码在同一个线程中运?#23567;?#24403; JavaScript 操作阻塞线程时,事件循环?#19981;?#34987;阻止。

工作池是一种执?#24515;?#22411;,它产生并处理单独的线程,然后同步执行任务,并将结果返回到事件循环。事件循环使用返回的结果执行提供的回调。

简而言之,它负责异步 I/O操作 —— 主要是与系统磁盘和网络的交互。它主要由诸如 fs(I/O 密集)或 crypto(CPU 密集)等模块使用。工作池用 libuv 实现,当 Node 需要在 JavaScript 和 C++ 之间进?#24515;誆客?#20449;时,会导?#34385;?#24494;的延迟,但这几乎不可察觉。

基于这两种机制,我们可以编写如下代码:

fs.readFile(path.join(__dirname, './package.json'), (err, content) => {
 if (err) {
  return null;
 }

 console.log(content.toString());
});

前面提到的 fs 模块告诉工作池使用其中一个线程来读取文件的内容,并在完成后通知事件循环。然后事件循环获取提供的回调函数,并用文件的内容执行它。

以上是非阻塞代码的示例,我们不必同步等待某事的发生。只需告诉工作池去读取文件,并用结果去调用提供的函数即可。由于工作池有自己的线程,因此事件循环可以在读取文件时继续正常执?#23567;?/p>

在不需要同步执?#24515;?#20123;复杂操作时,这一切都相?#21442;?#20107;:任何运行时间太长的函数都会阻塞线程。如果应用程序中有大量这类功能,就可能会明显降低服务器的吞吐量,甚至完全冻结它。在这种情况下,无法继续将工作委派给工作池。

在需要对数据进行复杂的计算时(如AI、机器学习或大数据)无法真正有效地使用 Node.js,因为操作阻塞了主(且唯一)线程,使服务器无响应。在 Node.js v10.5.0 发布之前就是这种情况,在这一版本增加了对多线程的支持。

简介:worker_threads

worker_threads 模块允许我们创建功能齐全的多线程 Node.js 程序。

thread worker 是在单独的线程中生成的一段代码(通常从文件中取出)。

注意,术语 thread workerworkerthread 经常互换使用,他们都指的是同一件事。

要想使用 thread worker,必须导入 worker_threads 模块。让我们先写一个函数来帮助我?#24039;?#25104;这些thread worker,然后再讨论它们的属性。

type WorkerCallback = (err: any, result?: any) => any;

export function runWorker(path: string, cb: WorkerCallback, workerData: object | null = null) {
 const worker = new Worker(path, { workerData });

 worker.on('message', cb.bind(null, null));
 worker.on('error', cb);

 worker.on('exit', (exitCode) => {
  if (exitCode === 0) {
   return null;
  }

  return cb(new Error(`Worker has stopped with code ${exitCode}`));
 });

 return worker;
}

要创建一个 worker,首先必须创建一个 Worker 类的?#36947;?#23427;的第一个参数提供了包含 worker 的代码的文件的路径;第二个参数提供了一个名为 workerData 的包含一个属性的对象。这是我们希望线程在开始运行时可以访问的数据。

请注意:不管你是用的是 JavaScript, 还是最终要转换为 JavaScript 的语言(例如,TypeScript),路径应该始终引用带有 .js.mjs 扩展名的文件。

?#19968;?#24819;指出为什?#35789;?#29992;回调方法,而不是返回在触发 message 事件时将解决的 promise。这是因为 worker 可以发送许多 message 事件,而不是一个。

正如你在上面的例子中所看到的,线程间的通信是基于事件的,这意味着我们设置了 worker 在发送给定事件后调用的侦听器。

以下是最常见的事件:

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

只要 worker 中有未捕获的异常,就会发出 error 事件。然后终止 worker,错误可以作为提供的回调中的第一个参数。

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

在 worker 退出时会发出 exit 事件。如果在worker中调用了 process.exit(),那么 exitCode 将被提供给回调。如果 worker 以 worker.terminate() 终止,则代码为1。

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

只要 worker 停止解析 JavaScript 代码并开始执行,就会发出 online 事件。它不常用,但在特定情况下可以提供信息。

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

只要 worker 将数据发送到父线程,就会发出 message 事件。

现在让我们来看看如何在线程之间共享数据。

在线程之间交换数据

要将数据发送到另一个线程,可以用 port.postMessage() 方法。它的原型如下:

port.postMessage(data[, transferList])

port 对象可以是 parentPort,也可以是 MessagePort 的?#36947;?—— 稍后会详细讲解。

数据参数

第一个参数 —— 这里被称为 data —— 是一个被复制到另一个线程的对象。它可以是复制算法所支持的任?#25991;?#23481;。

数据由结构化克隆算法进行复制。引用自 Mozilla:

它通过递归输入对象来进行克隆,同时保持之前访问过的引用的?#25104;洌员?#20813;无限遍历循环。

该算法不复制函数、错误、属性描述符或原型?#30784;?#36824;需要注意的是,以这种方式复制对象与使用 JSON 不同,因为它可以包含循环引用和类型化数组,而 JSON 不能。

由于能够复制类型化数组,该算法可以在线程之间共享内存。

在线程之间共享内存

人们可能会说像 clusterchild_process 这样的模块在很久以前就开始使用线程了。这话对,也不对。

cluster 模块可?#28304;?#24314;多个节点?#36947;?#20854;中一个主进程在它们之间对请求进?#26032;?#30001;。集群能够有效地增加服务器的吞吐量;但是我们不能用 cluster 模块生成一个单独的线程。

人们倾向于用 PM2 这样的工具来集中管理他们的程序,而不是在自己的代码中手动执行,如果你有兴趣,可以研究一下如何使用 cluster 模块。

child_process 模块可以生成任何可执行文件,无论它是否是用 JavaScript 写的。它和 worker_threads 非常相似,但缺少后者的几个重要功能。

具体来说 thread workers 更轻量,并且与其父线程共享相同的进程 ID。它们还可以与父线程共享内存,这样可?#21592;?#20813;对大的数据负载进行序列化,从而更有效地来回传递数据。

现在让我们看一下如何在线程之间共享内存。为了共享内存,必须将 ArrayBufferSharedArrayBuffer 的?#36947;?#20316;为数据参数发送到另一个线程。

这是一个与其父线程共享内存的 worker:

import { parentPort } from 'worker_threads';

parentPort.on('message', () => {
 const numberOfElements = 100;
 const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT * numberOfElements);
 const arr = new Int32Array(sharedBuffer);

 for (let i = 0; i < numberOfElements; i += 1) {
  arr[i] = Math.round(Math.random() * 30);
 }

 parentPort.postMessage({ arr });
});

首先,我们创建一个 SharedArrayBuffer,其内存需要包含100个32位整数。接下来创建一个 Int32Array ?#36947;?#23427;将用缓冲区来保存其结构,然后用一些随机数填充数组并将其发送到父线程。

在父线程中:

import path from 'path';

import { runWorker } from '../run-worker';

const worker = runWorker(path.join(__dirname, 'worker.js'), (err, { arr }) => {
 if (err) {
  return null;
 }

 arr[0] = 5;
});

worker.postMessage({});

arr [0] 的值改为5,?#23548;?#19978;会在两个线程中修改它。

?#27604;唬?#36890;过共享内存,我们冒险在一个线程中修改一个值,同时也在另一个线程中进行了修改。但是我们在这个过程中也得到了一个?#20040;Γ?#35813;值不需要进行序列化就可以另一个线程中使用,这极大地提高了效率。只需记住管理数据正确的引用,?#21592;?#22312;完成数据处理后对其进行垃圾回收。

共享一个整数数组固然很好,但我们真正?#34892;?#36259;的是共享对象 —— 这是存储信息的默认方式。不幸的是,没有 SharedObjectBuffer 或类似的东西,但我们可以自己创建一个类似的结构

transferList参数

transferList 中只能包含 ArrayBufferMessagePort。一旦它们被传送到另一个线程,就不能再次被传送了;因为内存里的内容已经被移动到了另一个线程。

目前,还不能通过 transferList(可以使用 child_process 模块)来传输网络套接字。

创建通信渠道

线程之间的通信是通过 port 进行的,port 是 MessagePort 类的?#36947;?#24182;启用基于事件的通信。

使用 port 在线程之间进行通信的方法有两种。第一个是默?#29616;擔?#36825;个方法比较容?#20303;?#22312; worker 的代码中,我们从worker_threads 模块导入一个名为 parentPort 的对象,并使用对象的 .postMessage() 方法将消息发送到父线程。

这是一个例子:

import { parentPort } from 'worker_threads';
const data = {
 // ...
};

parentPort.postMessage(data);

parentPort 是 Node.js 在幕后创建的 MessagePort ?#36947;?#29992;于与父线程进行通信。这样就可以用 parentPortworker 对象在线程之间进行通信。

线程间的第二种通信方式是创建一个 MessageChannel 并将其发送给 worker。以下代码是如何创建一个新的 MessagePort 并与我们的 worker 共享它:

import path from 'path';
import { Worker, MessageChannel } from 'worker_threads';

const worker = new Worker(path.join(__dirname, 'worker.js'));

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

port1.on('message', (message) => {
 console.log('message from worker:', message);
});

worker.postMessage({ port: port2 }, [port2]);

在创建 port1port2 之后,我们在 port1 上设置事件监听器并将 port2 发送给 worker。我们必须将它包含在 transferList 中,?#21592;?#23558;其传输给 worker 。

在 worker 内部:

import { parentPort, MessagePort } from 'worker_threads';

parentPort.on('message', (data) => {
 const { port }: { port: MessagePort } = data;

 port.postMessage('heres your message!');
});

这样,我们就能使用父线程发送的 port 了。

使用 parentPort 不一定是错误的方法,但最好用 MessageChannel 的?#36947;?#21019;建一个新的 MessagePort,然后与生成的 worker 共享它。

请注意,在后面的例子中,为了简便起见,我用了 parentPort

使用 worker 的两种方式

可以通过两种方式使用 worker。第一?#36136;巧?#25104;一个 worker,然后执行它的代码,并将结果发送到父线程。通过这种方法,每当出现新任务时,都必须重新创建一个工作者。

第二种方法?#24039;?#25104;一个 worker 并为 message 事件设置监听器。?#30475;?#35302;发 message 时,它都会完成工作并将结果发送回父线程,这会使 worker 保持活动状态以供以后使用。

Node.js 文?#20302;?#33616;第二种方法,因为在创建 thread worker 时需要创建虚拟机并解析和执行代码,这会产生比较大的开销。所以这种方法比不断产生新 worker 的效率更高。

这种方法被称为工作池,因为我们创建了一个工作池并让它们等待,在需要时调度 message 事件来完成工作。

以下是一个产生、执行然后关闭 worker 例子:

import { parentPort } from 'worker_threads';

const collection = [];

for (let i = 0; i < 10; i += 1) {
 collection[i] = i;
}

parentPort.postMessage(collection);

collection 发送到父线程后,它就会退出。

下面是一个 worker 的例子,它可以在给定任务之前等待很长一段时间:

import { parentPort } from 'worker_threads';

parentPort.on('message', (data: any) => {
 const result = doSomething(data);

 parentPort.postMessage(result);
});

worker_threads 模块中可用的重要属性

worker_threads 模块中有一些可用的属性:

isMainThread

当不在工作线程内操作时,该属性为 true 。如果你觉得有必要,可以在 worker 文件的开头包含一个简单的 if 语句,以确保它只作为 worker 运?#23567;?/p>

import { isMainThread } from 'worker_threads';

if (isMainThread) {
 throw new Error('Its not a worker');
}

workerData

产生线程时包含在 worker 的构造函数中的数据。

const worker = new Worker(path, { workerData });

在工作线程中:

import { workerData } from 'worker_threads';

console.log(workerData.property);

parentPort

前面提到的 MessagePort ?#36947;?#29992;于与父线程通信。

threadId

分配给 worker 的唯一标识符。

现在我们知道了技术细节,接下来实现一些东西并在?#23548;?#20013;检验学到的知识。

实现 setTimeout

setTimeout 是一个无限循环,顾名?#23478;澹?#29992;来检测程序运行时间是否超时。它在循?#20998;?#26816;查起始时间与给定毫秒数之和是否小于?#23548;?#26085;期。

import { parentPort, workerData } from 'worker_threads';

const time = Date.now();

while (true) {
  if (time + workerData.time <= Date.now()) {
    parentPort.postMessage({});
    break;
  }
}

这个特定的实现产生一个线程,然后执行它的代码,最后在完成后退出。

接下来实现使用这个 worker 的代码。首先创建一个状态,用它来跟踪生成的 worker:

const timeoutState: { [key: string]: Worker } = {};

然后?#22791;?#36131;创建 worker 并将其保存到状态的函数:

export function setTimeout(callback: (err: any) => any, time: number) {
 const id = uuidv4();

 const worker = runWorker(
  path.join(__dirname, './timeout-worker.js'),
  (err) => {
   if (!timeoutState[id]) {
    return null;
   }

   timeoutState[id] = null;

   if (err) {
    return callback(err);
   }

   callback(null);
  },
  {
   time,
  },
 );

 timeoutState[id] = worker;

 return id;
}

首先,我们使用 UUID 包为 worker 创建一个唯一的标识符,然后用先前定义的函数 runWorker 来获取 worker。我们还向 worker 传入一个回调函数,一旦 worker 发送了数据就会被触发。最后,把 worker 保存在状态中并返回 id

在回调函数中,我们必须检查该 worker 是否仍然存在于该状态中,因为有可能会 cancelTimeout(),这将会把它删除。如果确实存在,就把它从状态中删除,并调用传给 setTimeout 函数的 callback

cancelTimeout 函数使用 .terminate() 方法强制 worker 退出,并从该状态中删除该这个worker:

export function cancelTimeout(id: string) {
 if (timeoutState[id]) {
  timeoutState[id].terminate();

  timeoutState[id] = undefined;

  return true;
 }

 return false;
}

如果你有兴趣,我也实现了 setInterval,代码在这里,但因为它对线程什么都没做(我们重用setTimeout的代码),所以我决定不在这里进行解释。

我已经创建了一个短小的测?#28304;?#30721;,目的是检查这种方法与原生方法的不同之处。你可以在这里找到代码。这些是结果:

native setTimeout { ms: 7004, averageCPUCost: 0.1416 }
worker setTimeout { ms: 7046, averageCPUCost: 0.308 }

我们可以看到 setTimeout 有一点延迟 - 大约40ms - 这时 worker 被创建时?#21335;?#32791;。平均 CPU 成本也略高,但没什么难以忍受的(CPU 成本是整个过程?#20013;?#26102;间内 CPU 使用率的平均值)。

如果我们可以重用 worker,就能够降低延迟和 CPU 使用率,这就是要实现工作池的原因。

实现工作池

如上所述,工作池是给定数量的被事先创建的 worker,他们保持空闲并监听 message 事件。一旦 message 事件被触发,他们就会开始工作并发回结果。

为了更好地描述我们将要做的?#34385;椋?#19979;面我们来创建一个由八个 thread worker 组成的工作池:

const pool = new WorkerPool(path.join(__dirname, './test-worker.js'), 8);

如果你熟悉限制并发操作,那么你在这里看到的逻辑几乎相同,只是一个不同的用例。

如上面的代码片段所示,我们把指向 worker 的路径和要生成的 worker 数?#30475;?#32473;了 WorkerPool 的构造函数。

export class WorkerPool<T, N> {
 private queue: QueueItem<T, N>[] = [];
 private workersById: { [key: number]: Worker } = {};
 private activeWorkersById: { [key: number]: boolean } = {};

 public constructor(public workerPath: string, public numberOfThreads: number) {
  this.init();
 }
}

这里还有其他一些属性,如 workersByIdactiveWorkersById,我们可以分别保存现有的 worker 和当前正在运行的 worker 的 ID。还有 queue,我们可以使用以下结构来保存对象:

type QueueCallback<N> = (err: any, result?: N) => void;

interface QueueItem<T, N> {
 callback: QueueCallback<N>;
 getData: () => T;
}

callback 只是默认的节点回调,第一个参数是错误,第二个参数是可能的结果。 getData 是传递给工作池 .run() 方法的函数(如下所述),一旦项目开始处理就会被调用。 getData 函数返回的数据将传给工作线程。

.init() 方法中,我们创建了 worker 并将它们保存在以下状态中:

private init() {
 if (this.numberOfThreads < 1) {
  return null;
 }

 for (let i = 0; i < this.numberOfThreads; i += 1) {
  const worker = new Worker(this.workerPath);

  this.workersById[i] = worker;
  this.activeWorkersById[i] = false;
 }
}

为避免无限循环,我们首先要确保线程数 > 1。然后创建有效的 worker 数,并将它们的索引保存在 workersById 状态。我们在 activeWorkersById 状态中保存了它们当前是否正在运行的信息,默认情况下该状态始终为false。

现在我们必须实现前面提到的 .run() 方法来设置一个 worker 可用的任务。

public run(getData: () => T) {
 return new Promise<N>((resolve, reject) => {
  const availableWorkerId = this.getInactiveWorkerId();

  const queueItem: QueueItem<T, N> = {
   getData,
   callback: (error, result) => {
    if (error) {
     return reject(error);
    }
return resolve(result);
   },
  };

  if (availableWorkerId === -1) {
   this.queue.push(queueItem);

   return null;
  }

  this.runWorker(availableWorkerId, queueItem);
 });
}

在 promise 函数里,我们首先通过调用 .getInactiveWorkerId() 来检查是否存在空闲的 worker 可以来处理数据:

private getInactiveWorkerId(): number {
 for (let i = 0; i < this.numberOfThreads; i += 1) {
  if (!this.activeWorkersById[i]) {
   return i;
  }
 }

 return -1;
}

接下来,我们创建一个 queueItem,在其中保存传递给 .run() 方法的 getData 函数以及回调。在回调中,我们要么 resolve 或者 reject promise,这取决于 worker 是否将错误传递给回调。

如果 availableWorkerId 的值是 -1,意味着当前没有可用的 worker,我们将 queueItem 添加到 queue。如果有可用的 worker,则调用 .runWorker() 方法来执行 worker。

.runWorker() 方法中,我们必须把当前 worker 的 activeWorkersById 设置为使用状态;为 messageerror 事件设置事件监听器(并在之后清理它们);最后将数据发送给 worker。

private async runWorker(workerId: number, queueItem: QueueItem<T, N>) {
 const worker = this.workersById[workerId];

 this.activeWorkersById[workerId] = true;

 const messageCallback = (result: N) => {
  queueItem.callback(null, result);

  cleanUp();
 };

 const errorCallback = (error: any) => {
  queueItem.callback(error);

  cleanUp();
 };

 const cleanUp = () => {
  worker.removeAllListeners('message');
  worker.removeAllListeners('error');

  this.activeWorkersById[workerId] = false;

  if (!this.queue.length) {
   return null;
  }

  this.runWorker(workerId, this.queue.shift());
 };

 worker.once('message', messageCallback);
 worker.once('error', errorCallback);

 worker.postMessage(await queueItem.getData());
}

首先,通过使用传递的 workerId,我们从 workersById 中获得 worker 引用。然后,在 activeWorkersById 中,将 [workerId] 属性设置为true,这样我们就能知道在 worker 在忙,不要运行其他任务。

接下来,分别创建 messageCallbackerrorCallback 用来在消息和错误事件?#31995;?#29992;,然后注册所述函数来监听事件并将数据发送给 worker。

在回调中,我们调用 queueItem 的回调,然后调用 cleanUp 函数。在 cleanUp 函数中,要删除事件侦听器,因为我们会多次重用同一个 worker。如果没有删除监听器的话就会发生内存泄漏,内存会被慢慢耗尽。

activeWorkersById 状态中,我们将 [workerId] 属性设置为 false,并检查队列是否为空。如果不是,就从 queue 中删除第一个项目,并用另一个 queueItem 再次调用 worker。

接着创建一个在收到 message 事件中的数据后进行一些计算的 worker:

import { isMainThread, parentPort } from 'worker_threads';

if (isMainThread) {
 throw new Error('Its not a worker');
}

const doCalcs = (data: any) => {
 const collection = [];

 for (let i = 0; i < 1000000; i += 1) {
  collection[i] = Math.round(Math.random() * 100000);
 }

 return collection.sort((a, b) => {
  if (a > b) {
   return 1;
  }

  return -1;
 });
};

parentPort.on('message', (data: any) => {
 const result = doCalcs(data);

 parentPort.postMessage(result);
});

worker 创建了一个包含 100 万个随机数的数组,然后?#36816;?#20204;进?#20449;?#24207;。只要能够多花费一些时间才能完成,做些什?#35789;虑?#24182;不重要。

以下是工作池简单用法的示例:

const pool = new WorkerPool<{ i: number }, number>(path.join(__dirname, './test-worker.js'), 8);

const items = [...new Array(100)].fill(null);

Promise.all(
 items.map(async (_, i) => {
  await pool.run(() => ({ i }));

  console.log('finished', i);
 }),
).then(() => {
 console.log('finished all');
});

首先创建一个由八个 worker 组成的工作池。然后创建一个包含 100 个元素的数组,对于每个元素,我们在工作池中运行一个任务。开始运行后将立即执行八个任务,其余任务?#29615;?#20837;队列并逐个执?#23567;?#36890;过使用工作池,我们不必?#30475;?#37117;创建一个 worker,从而大大提高了效率。

结论

worker_threads 提供了一种为程序添加多线程支持的简单的方法。通过将繁重的 CPU 计算委托给其他线程,可以显着提高服务器的吞吐量。通过官方线程支持,我们可以期待更多来自AI、机器学习和大数据等领域的开发人员和工程师使用 Node.js.

以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持脚本之家。

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