【nodejs原理&源码赏析(5)】net模块与通讯的实现

一. net模块简介

net模块是nodejs通讯功能实现的基础,nodejs中最常用的功能就是作为WebServer使用,建立服务器时使用的http.createServer就是在net.createServer方法的基础上建立的。前端最熟悉的http协议属于应用层协议,应用层的内容想要发送出去,还需要将消息逐层下发,通过传输层(tcp,udp),网际层(ip)和更底层的网络接口后才能被传输出去。net模块就是对分层通讯模型的实现。

net模块中有两大主要抽象概念——net.Servernet.Socket。《deep-into-node》一书中对Socket概念进行了解释:

Socket 是对 TCP/IP 协议族的一种封装,是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层。它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面,对用户来说,一组简单的接口就是全部,让Socket去组织数据,以符合指定的协议。 Socket 还可以认为是一种网络间不同计算机上的进程通信的一种方法,利用三元组(ip地址,协议,端口)就可以唯一标识网络中的进程,网络中的进程通信可以利用这个标志与其它进程进行交互。

简单地说,net.Server实例可以监听一个端口(用于实现客户端TCP连接通讯)或者地址(用于实现IPC跨进程通讯),net.Socket实例可以建立一个套接字实例,它可以用来和server建立连接,连接建立后,就可以实现通讯了。你可以将socket想象成手机,把server想象成基站,虽然不是很贴切,但可以降低理解难度。net相关API可以直接查看中文文档【net模块文档】

二. Client-Server的通讯

2.1 server的建立

Server类的定义非常精简,也很容易看懂:

可以看到构造函数基本上只是初始化了一些属性,然后添加了对connection事件的响应。服务器是net.Server类的实例,通过net.createServer([options][,onConnection] )方法建立,如果传入一个函数,则这个函数会作为connection事件的回调函数,当一个socket实例连接到server时,connection事件就会触发,回调函数中的形参就指向了发起连接的socket实例。server实例并不能独立工作,作为网络服务器使用时需要需要调用listen方法来监听一个地址,示例如下:

const net = require('net');
const { StringDecoder } = require('string_decoder');
let decoder = new StringDecoder('utf8');

let server = net.createServer(socket=>{
    console.log('接收连接');
    socket.on('data',data=>{
        console.log('收到来自客户端的消息:',decoder.write(data));
    });

    socket.on('end',function(){
       console.log('socket从客户端被关闭了');
    });
});

server.listen(12315);

socket上以流的形式发送数据,所以需要调用string_decoder模块进行解码才能够看到内容,否则看到的就是原始的字节信息。上面的实例监听了12315端口。

2.2 Socket的建立

前文已经提及Socket是对TCP/IP协议族的一种封装。客户端通讯套接字是net.Socket的实例,通过调用实例方法socket.connect(args)来和服务器建立连接,作为客户端通讯套接字时需要监听端口号,建立连接后,客户端server通过connection事件的回调函数就可以拿到发起连接的socket实例,这样客户端和服务器就可以通讯了,其中一方通过socket.write()方法写入数据,另一方注册的监听器socket.on('data',onData)回调函数就会收到信息。socket实例化示例如下:

const net = require('net');

let socket = new net.Socket();
socket.connect(12315);
//连接服务器
socket.on('connect',c=>{
    console.log('成功建立和12315的连接')
    setTimeout(()=>{
        console.log('建立连接1s后发送消息');
        socket.write('SN:1231512315','utf8',function(){
            console.log('消息已发送');
        });
    },1000);
});

socket.on('data',function(resp){
    console.log('收到服务器返回消息:',resp);
});

socket.on('end',function(){
    console.log('socket从客户端被关闭了');
})

客户端connect连接服务器的动作,就好比打电话前要先拨号一样,等接通以后,你说的话(也就是socket.write( )写入的data)才能被发送过去。【代码仓的示例DEMO】中提供了相对完整的示例,分别放在server.jsclient.js中,你可以通过控制台打印的信息来观察每条语句执行的先后顺序,熟悉从通信建立到消息收到再到服务器关闭的整个过程,记得要先起服务器,后起客户端。

Tips:你可以使用postman向这个server发一个GET请求,看看是什么样子,对理解httptcp/ip的关系有很大帮助,它非常直观,反正我是第一次见。

三. IPC通讯

IPC通讯是指Inter Process Communication,也就是跨进程通讯,上一节在提到cluster时已经介绍过进程之间是资源隔离的,所以跨进程通讯也需要通过net模块来建立消息管道。它的用法比较简单,只需要将server.listen( )socket.connect( )的参数从端口号换成地址字符串就可以了。示例代码如下:

const net = require('net');
const cluster = require('cluster');
const path = require('path');
const { StringDecoder } = require('string_decoder');

let serverForIPC;//作为子进程的server

if (cluster.isMaster) {
    //主进程执行逻辑
    setupMaster();
    cluster.fork();//生成子进程
    cluster.fork();//生成另一个子进程
} else {
    //子进程执行逻辑
    setupWorker();
}

//主进程逻辑
function setupMaster() {
    //作为Server监听子进程消息
   let decoder = new StringDecoder('utf8');
    //windows系统中要求的IPC通讯命名规则
   let ipcPath = path.join('\\\\?\\pipe', process.cwd(), 'dashipc');
   serverForIPC = net.createServer(socket=>{
        console.log(`[master]:子进程通过ipcServer连接到主进程`);
        socket.on('data',data=>{
            console.log('[master]:收到来自子进程的消息:',decoder.write(data));
        });
   });
   //IPC-server端监听指定地址
   serverForIPC.listen(ipcPath);
}

//子进程逻辑
function setupWorker() {
    let ipcPath = path.join('\\\\?\\pipe', process.cwd(), 'dashipc');
    let socket = new net.Socket();
    //子进程的socket连接主进程中监听的地址
    socket.connect(ipcPath,c=>{
        console.log(`[child-${process.pid}]:pid为${process.pid}的子进程已经连接到主进程`);
        //过一秒后发个消息测试一下
        setTimeout(()=>{
           socket.write(`${process.pid}的消息:SN1231512315`,'utf8',function(){
              console.log(`[child-${process.pid}]:消息已发送`);
           });
        },1000);
    });
}

需要注意尽管主进程和子进程运行的是同样的脚本,但执行的具体逻辑由cluster.isMaster进行了区分。当主进程的脚本运行时会建立一个IPC通讯管道的server端并监听指定地址,然后通过cluster.fork生成子进程,子进程会执行setupWorker( )方法的逻辑,新建一个socket实例并连接主进程监听的地址,这样跨进程通讯就建立了。示例代码放置在代码仓中的ipc.js中,运行结果如下:

四. 撸一个简易的cluster通讯模型

既然客户端通讯和跨进程通讯都实现了,那么把它们连起来协调好,其实就可以复现cluster集群模块的功能了,虽然它不能等同于cluster的源码,cluster中跨进程通讯是直接可以使用的,不需要自己手动建立,但“造轮子”对于理解集群通讯机制非常有帮助。简易模型的基本方案如下,逻辑的顺序已经标记出来了,在前文的基础上实际上增加的只是调度相关的功能(也就是橙色背景的部分):

首先主线程和子线程之间建立IPC通讯,连接建立后,由子进程将自己的pid通过socket发给主进程,这样主进程就知道连接到IPCserver的socket是哪个子进程连过来的了,demo在内部构建了一个type属性为internal_init的消息来完成这个登记动作,然后启动一个接收客户端连接的Server,监听指定的端口。接下来到了第6步,客户端新建了socket连接到了主线程Client Server监听的端口,clientServer把它发过来的socket传给调度中心,调度中心根据一定规则(demo中直接就简单粗暴地轮换使用各个线程)决定将这个socket与哪个worker socket相匹配(所谓匹配就是指client socket发来的消息应该调用哪个worker socket的write方法来分发给对应的子进程),然后将这个客户端socket登记到匹配记录表中某条记录的client socket上,这样通讯通道就建立好了。

当客户端调用socket.write来写入数据时,主线程就会收到这个数据,然后根据已经建立好的socket关系把这条消息write到子进程,子进程处理完后在消息体中增加一个pid属性标明这个消息是哪个进程处理的(这个标记也可以在主进程中添加,因为主进程中维护的有pid,client socketworker socket的对应关系),然后调用socket.write发回给主进程,主进程根据消息的pid属性在记录表中找到这个消息应该由哪个client socket来返回,找到后调用它的end方法将数据返回给客户端,这样就完成了一次请求分发。

demo中提供了示例,ipc_http.js是简易集群模型的服务端,ipc_http_client.js是客户端,前后一共发送了3次请求,结果如下:

服务端的日志:

客户端的请求:

上面的示例仅仅是为了帮助理解网络通信和跨进程通信协作的原理,并不代表cluster的源码,但通信层面的原理是类似的,实际开发中跨进程通讯时不需要自己再构建IPC消息通道,因为子进程返回的process上就已经集成了跨进程通讯能力,理解这个简化的模型对阅读cluster模块的通讯原理能够提供很好的过渡。

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