文:正龙(沪江网校Web前端工程师)
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之前的文章“走进Node.js之HTTP实现分析”中,大家已经了解 Node.js 是如何处理 HTTP 请求的,在整个处理过程,它仅仅用到单进程模型。那么如何让 Web 应用扩展到多进程模型,以便充分利用CPU资源呢?答案就是 Cluster。本篇文章将带着大家一起分析Node.js的多进程模型。
首先,来一段经典的 Node.js 主从服务模型代码:
const cluster = require('cluster');
const numCPUs = require('os').cpus().length;
if (cluster.isMaster) {
for (let i = 0; i < numCPUs; i++) {
cluster.fork();
}
} else {
require('http').createServer((req, res) => {
res.end('hello world');
}).listen(3333);
}
通常,主从模型包含一个主进程(master)和多个从进程(worker),主进程负责接收连接请求,以及把单个的请求任务分发给从进程处理;从进程的职责就是不断响应客户端请求,直至进入等待状态。如图 3-1 所示:
围绕这段代码,本文希望讲述清楚几个关键问题:
在 Node.js 中,cluster.fork 与 POSIX 的 fork 略有不同:虽然从进程仍旧是 fork 创建,但是并不会直接使用主进程的进程映像,而是调用系统函数 execvp 让从进程使用新的进程映像。另外,每个从进程对应一个 Worker 对象,它有如下状态:none、online、listening、dead和disconnected。
ChildProcess 对象主要提供进程的创建(spawn)、销毁(kill)以及进程句柄引用计数管理(ref 与 unref)。在对Process对象(process_wrap.cc)进行封装之外,它自身也处理了一些细节问题。例如,在方法 spawn 中,如果需要主从进程之间建立 IPC 管道,则通过环境变量 NODE_CHANNEL_FD 来告知从进程应该绑定的 IPC 相关的文件描述符(fd),这个特殊的环境变量后面会被再次涉及到。
以上提到的三个对象引用关系如下:
cluster.fork 的主要执行流程:
c++ interface Process { construtor(const FunctionCallbackInfo<Value>& args); void close(const FunctionCallbackInfo<Value>& args); void spawn(const FunctionCallbackInfo<Value>& args); void kill(const FunctionCallbackInfo<Value>& args); void ref(const FunctionCallbackInfo<Value>& args); void unref(const FunctionCallbackInfo<Value>& args); void hasRef(const FunctionCallbackInfo<Value>& args); }
主进程在执行 cluster.fork 时,会指定两个特殊的环境变量 NODE_CHANNEL_FD 和 NODE_UNIQUE_ID,所以从进程的初始化过程跟一般 Node.js 进程略有不同:
上文提到了 Node.js 主从进程仅仅通过 IPC 维持联络,那这一节就来深入分析下 IPC 的实现细节。首先,让我们看一段示例代码:
1-master.js
const {spawn} = require('child_process');
let child = spawn(process.execPath, [`${__dirname}/1-slave.js`], {
stdio: [0, 1, 2, 'ipc']
});
child.on('message', function(data) {
console.log('received in master:');
console.log(data);
});
child.send({
msg: 'msg from master'
});
1-slave.js
process.on('message', function(data) {
console.log('received in slave:');
console.log(data);
});
process.send({
'msg': 'message from slave'
});
node 1-master.js
运行结果如下:
细心的同学可能发现控制台输出并不是连续的,master和slave的日志交错打印,这是由于并行进程执行顺序不可预知造成的。
前文提到从进程实际上通过系统调用 execvp 启动新的 Node.js 实例;也就是说默认情况下,Node.js 主从进程不会共享文件描述符表,那它们到底是如何互发消息的呢?
原来,可以利用 socketpair 创建一对全双工匿名 socket,用于在进程间互发消息;其函数签名如下:
int socketpair(int domain, int type, int protocol, int sv[2]);
通常情况下,我们是无法通过 socket 来传递文件描述符的;当主进程与客户端建立了连接,需要把连接描述符告知从进程处理,怎么办?其实,通过指定 socketpair 的第一个参数为 AF_UNIX,表示创建匿名 UNIX 域套接字(UNIX domain socket),这样就可以使用系统函数 sendmsg 和 recvmsg 来传递/接收文件描述符了。
主进程在调用 cluster.fork 时,相关流程如下:
至此,主从进程就可以进行双向通信了。流程图如下:
我们再回看一下环境变量 NODE_CHANNEL_FD,令人疑惑的是,它的值始终为3。进程级文件描述符表中,0-2分别是标准输入stdin、标准输出stdout和标准错误输出stderr,那么可用的第一个文件描述符就是3,socketpair 显然会占用从进程的第一个可用文件描述符。这样,当从进程往 fd=3 的流中写入数据时,主进程就可以收到消息;反之,亦类似。
从 IPC 读取消息主要是流操作,以后有机会详解,下面列出主要流程:
int uv_read_start(uv_stream_t* stream, uv_alloc_cb alloc_cb, uv_read_cb read_cb)
涉及到的类图关系如下:
以上大概分析了从进程的创建过程及其特殊性;如果要实现主从服务模型的话,还需要解决一个基本问题:从进程怎么获取到与客户端间的连接描述符?我们打算从 process.send(只有在从进程的全局 process 对象上才有 send 方法,主进程可以通过 worker.process 或 worker 访问该方法)的函数签名着手:
void send(message, sendHandle, callback)
其参数 message 和 callback 含义也许显而易见,分别指待发送的消息对象和操作结束之后的回调函数。那它的第二个参数 sendHandle 用途是什么?
前文提到系统函数 socketpair 可以创建一对双向 socket,能够用来发送 JSON 消息,这一块主要涉及到流操作;另外,当 sendHandle 有值时,它们还可以用于传递文件描述符,其过程要相对复杂一些,但是最终会调用系统函数 sendmsg 以及 recvmsg。
在主从服务模型下,主进程负责跟客户端建立连接,然后把连接描述符通过 sendmsg 传递给从进程。我们来看看这一过程:
从进程
json { "cmd": "NODE_HANDLE", "msg": { "act": "queryServer" } }
主进程
```js class RoundRobinHandle { construtor(key, address, port, addressType, fd) { // 监听同一端点的从进程集合 this.all = [];
// 可用的从进程集合
this.free = [];
// 当前等待处理的客户端连接描述符集合
this.handles = [];
// 指定端点的TCP服务socket
this.server = null;
}
add(worker, send) {
// 把从进程实例加入this.all
}
remove(worker) {
// 移除指定从进程
}
distribute(err, handle) {
// 把连接描述符handle存入this.handles,并指派一个可用的从进程实例开始处理连接请求
}
handoff(worker) {
// 从this.handles中取出一个待处理的连接描述符,并向从进程发起消息
// {
// "type": "NODE_HANDLE",
// "msg": {
// "act": "newconn",
// }
// }
}
} ```
流程图如下:
从进程上调用listen
客户端连接处理
原因主要有两点:
** I. 从进程中 Node.js 运行时的初始化略有不同**
** II. listen 方法在主从进程中执行的代码略有不同。**
在 net.Server(net.js)的方法 listen 中,如果是主进程,则执行标准的端口绑定流程;如果是从进程,则会调用 cluster._getServer,参见上面对该方法的描述。
最后,附上基于libuv实现的一个 C 版 Master-Slave 服务模型,GitHub地址。
启动服务器之后,访问 http://localhost:3333 的运行结果如下:
相信通过本篇文章的介绍,大家已经对Node.js的Cluster有了一个全面的了解。下一次作者会跟大家一起深入分析Node.js进程管理在生产环境下的可用性问题,敬请期待。