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【nodejs原理&源码赏析(4)】深度剖析cluster模块源码与node.js多进程(上)

目录

  • 一. 概述
  • 二. 线程与进程
  • 三. cluster模块源码解析
    • 3.1 起步
    • 3.2 入口
    • 3.3 主进程模块master.js
    • 3.4 子进程模块child.js
  • 四. 小结

示例代码托管在:http://www.github.com/dashnowords/blogs 博客园地址:《大史住在大前端》原创博文目录 华为云社区地址:【你要的前端打怪升级指南】

一. 概述

cluster模块是node.js中用于实现和管理多进程的模块。常规的node.js应用程序是单线程单进程的,这也意味着它很难充分利用服务器多核CPU的性能,而cluster模块就是为了解决这个 问题的,它使得node.js程序可以以多个实例并存的方式运行在不同的进程中,以求更大地榨取服务器的性能。node.js在官方示例代码中使用worker实例来表示主进程fork出的子进程,使得前端开发者在学习过程中非常容易和浏览器环境中的worker实现的多线程混淆。为了容易区分,我们和node官方文档使用一致的名称,用集群中的masterworker来区分主进程和工作进程,用worker_threads来描述工作线程。

node.js的主从模型中,master主进程相当于一个包工头,主管监听端口,而slave进程被用于实际的任务执行,当任务请求到达后,它会根据某种方式将连接循环分发给worker进程来处理。理论上,如果根据当前各个worker进程的负载状况或者相关信息来挑选工作进程,效率应该比直接循环发放要更高,但node.js文档中声明这种方式由于受到操作系统调度机制的影响,会使得分发变得不稳定,所以会将"循环法"作为默认的分发策略。

关于cluster模块的用法和API细节,可以直接参考官方文档《Node.js中文网V10.15.3/cluster》

二. 线程与进程

想要尽可能利用服务器性能,首先需要了解“线程”(thread)和“进程”(process)这两个概念。

计算机是由CPU来执行计算任务的,如果你只有一个CPU,那么这台机器上所有的任务都将由它来执行。它既可以按照串联执行的原则一个接一个执行任务,也可以依据并联原则同步执行多个任务,多个任务同步执行时,CPU会快速在多个线程之间进行切换,切换线程的同时要切换对应任务的上下文,这就会造成额外的CPU资源消耗,所以当线程数量非常多时,线程切换本身就会浪费大量的CPU资源。如果在执行一个任务的同时,CPU和内存都还有充足的剩余,就可以通过某种方式让它们去执行其他任务。

你可以将“线程”看作是一种轻量级的“进程”。

如果你在操作系统中打开任务管理器,在进程标签下就可以看到如下图的示例:

我们可以看到每一个程序至少开辟一个新的进程(你可能瞬间就明白了chrome效率高的原因,我什么都没说),它是一种粒度更大的资源隔离单元,进程之间使用不同的内存区域,无法直接共享数据,只能通过跨进程通讯机制来通讯,而且由于要使用新的内存区域,它的创建销毁和切换相对而言都更耗时,它的好处就是进程之间是互相隔离的,互不影响,所以你可以一边听音乐一边玩游戏,而不会因为音乐软件里突然放了一首轻音乐,结果你游戏里的角色攻击力减半了。

再来看一下性能这个标签:

可以看到线程数是远大于进程数的。“线程”通常用来在单个“进程”中提高CPU的利用率,它是一种粒度更细的资源调度单位,它更容易创建和销毁,在同一个进程内的线程共享分配给这个进程的内存,所以也就实现了共享数据,多线程的编程要更加复杂,由于共享数据,如果线程之间传递指针然后操作同一数据源,就必须考虑“原子操作”和“锁”的问题,否则很容易就乱套了,如果传递数据的拷贝,又会造成内存浪费,另外线程异常不会被隔离,而会导致整个进程异常。

线程和进程的相关知识涉及到底层操作系统的内容,笔者涉猎有限,先分享这么多(会的都告诉你了,还要我怎样)。

三. cluster模块源码解析

源码中个别方法比较长,建议使用带有代码折叠的工具来看。

3.1 起步

cluster模块的用法看起来并不复杂,官方给出的示例是这样的:

const cluster = require('cluster');
const http = require('http');
const numCPUs = require('os').cpus().length;

if (cluster.isMaster) {
  console.log(`主进程 ${process.pid} 正在运行`);

  // 衍生工作进程。
  for (let i = 0; i < numCPUs; i++) {
    cluster.fork();
  }

  cluster.on('exit', (worker, code, signal) => {
    console.log(`工作进程 ${worker.process.pid} 已退出`);
  });
} else {
  // 工作进程可以共享任何 TCP 连接。
  // 在本例子中,共享的是 HTTP 服务器。
  http.createServer((req, res) => {
    res.writeHead(200);
    res.end('你好世界\n');
  }).listen(8000);

  console.log(`工作进程 ${process.pid} 已启动`);
}

3.2 入口

cluster模块的入口在/lib/cluster.js,这里的代码很简单:

'use strict';
const childOrMaster = 'NODE_UNIQUE_ID' in process.env ? 'child' : 'master';
module.exports = require(`internal/cluster/${childOrMaster}`);

可以看到,如果进程对象的环境变量中有NODE_UNIQUE_ID这个变量,就透传internal/cluster/child.js模块的输出,否则就透传internal/cluster/master.js模块的输出。这是node的主进程在进行子进程管理时的标识,后面的代码中可以看到当调用cluster.fork( )生成一个子进程时会以一个自增ID的形式生成这个环境变量。

3.3 主进程模块master.js

首先运行node程序的肯定是主线程,那么我们从master.js这个模块开始,先用工具折叠一下代码浏览一下:

可以看到除了模块属性外,cluster模块对外暴露的方法只有下面3个,其他的都是用来完成内部功能的:

  • setupMaster(options )-修改fork时默认设置
  • fork( )-生成子进程
  • disconnect( )- 断开和所有子进程的连接

我们按照官方示例的逻辑路线来阅读代码cluster.fork( )方法定义在161-217行,一样是用折叠工具来看全貌:

可以看到cluster.fork( )执行时做了如下几件事情:

1.设置主线程参数
2.传入一个自增参数id(就是前文提到的NODE_UNIQUE_ID)和环境信息env来生成一个worker线程的process对象
3.将id和新的process对象传入Worker构造器生成新的worker进程实例
4.在子进程的process对象上添加了一些事件监听
5.在cluster.workers中以id为键添加对子进程的引用
6.返回子进程worker实例

接着看第一步setupMaster( ),在源码中50-95行,着重看81-95行:

留意一下主线程在进程层面监听的internalMessage事件非常关键,主进程监听到这个事件后,首先判断消息对象的cmd属性是否为NODE_DEBUGE_ENABLED,并以此为条件判断后续语句是否执行,后续的逻辑是遍历每一个worker进程实例,如果子进程的状态是onlinelistening就将子进程pid作为参数调用主进程的_debugProcess( )方法,否则改为在worker进程实例首次上线时调用。

process._debugProcess的定义在src/node_process_methods.cc里,看名字推测大致的意思就是为了启用对子进程的调试功能。这是一个重载方法,在windowslinux下有不同的实现。linux下的代码较短,基本可以看懂(不秀一下怎么对得住自己看1周的C++):

#ifdef __POSIX__
static void DebugProcess(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
    //这里的常量参数是通过地址引用的worker.process.pid
  Environment* env = Environment::GetCurrent(args); 
    //用pid做参数获取当前激活的环境变量,这一步应该是在获取上下文

  if (args.Length() != 1) {//不合法调用时报错,没什么可说的
    return env->ThrowError("Invalid number of arguments.");
  }
  
  CHECK(args[0]->IsNumber());//检测参数
  pid_t pid = args[0].As<Integer>()->Value();
  int r = kill(pid, SIGUSR1);//发送SIGUSR1信号,终止了这个子进程

  if (r != 0) {//exit code为0时是正常退出,子进程未能正常中止时报错
    return env->ThrowErrnoException(errno, "kill");
  }
}

win32平台中对应的代码比较长,看不懂。总结一下这里就是,在没有收到cmd属性等于NODE_DEBUG_ENABLED的内部消息之前,什么都不做,如果收到这个消息,就终止所有的子进程,或者通过事件在子进程第一次处于online状态就终止它

按照执行顺序接下来是101-140行的createWorkerProcess(id,env)方法,看名字就知道是生成子进程process对象的,前半部分合并和处理环境参数,然后判断运行参数中是否包含启用--inspect功能的参数并进行一些处理,最后传入一堆参数调用了fork方法,这个方法就是child_process.fork( ),它就是用来生成子进程的,返回值就是子进程实例,你可以先简单浏览一下API【官方文档child_process.fork功能】,或者知道这里生成了子进程就好。

回到cluster.fork方法继续执行,下一步使用新生成的子进程process对象和唯一id作为参数传入Worker构造函数,生成worker实例,Worker的定义就在当前文件夹的worker.js中,它首先继承了EventEmitter的消息的发布订阅能力,然后把子进程的process对象挂在在自己的process属性上,接着为子进程添加errormessage事件的监听,最后暴露了一些更语义化的针对进程实例的管理方法(更详细的分析可以参考本系列前一篇博文)。生成了worker进程实例后,添加了对于message事件的响应,并在子进程process对象上监听进程的exit,disconnect,internalMessage事件,最后将worker实例和自己的id以键值对的形式添加到cluster.workers中记录,并通过return返回给外界,至此master模块的初始化流程就告一段落,先mark一下,后面还会讲这里。

3.4 子进程模块child.js

子进程模块是从master.js调用child_process时启动的,它和主进程是并行执行的。老规矩,代码折叠看一下:

看出什么了吗?child.js的代码里只有引用和定义,_setupWorker是在nodejs工作进程初始化时执行的,它在自己的独立进程中初始化了一个进程管理实例,并执行了下述逻辑:

1.实例化进程管理对象worker
2.全局添加`disconnect`事件响应
3.全局添加`internalMessage`事件响应,主要是分发`act:newconn`和`act:disconnect`事件
4.用send方法发送`online`事件,通知主线程自己已上线。

注意,这个process对象就是IPC(Inter Process Communication,也称为跨进程通讯)能够实现的关键,很明显它继承了EventEmitter的消息收发能力,在子进程内部进行消息收发不存在任何问题,还记得master.jsfork方法吗?这个process就是调用child_process启动子进程时返回给主进程的那个process对象,当你在主进程中获取它后,就可以共享worker进程的消息能力,从而在资源隔离的条件下实现masterworker进程的跨进程通讯。_getServer( )方法是在建立server实例时调用的,等到驱动事件信息到达child.js时再看,可以留意一下最后两个添加在Worker原型方法上的方法,它们只在子进程中有效。

四. 小结

至此,你已经看到node是如何通过cluster模块实现多实例并初始化跨进程通讯了。但是跨进程通讯的底层实现以及服务器的建立,以及如何在进程间协调网络请求的处理,还依赖于nethttp的一些内容,只好等研究完了再继续,硬刚反正我是吃不消的。

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