大家都知道Node是單線程的，卻不知它也提供了多進（線）程模組來加速處理一些特殊任務，本文便帶領大家了解下Node.js 的多進（線）程，希望對大家有幫助！
我們都知道Node.js採用的是單執行緒、基於事件驅動的非同步I/O 模型，其特性決定了它無法利用CPU 多核心的優勢，也不擅長完成一些非I/O 類型的操作（例如執行腳本、AI 運算、映像處理等），為了解決此類問題，Node.js 提供了常規的多進（線程）方案（關於進程、執行緒的討論，可參考筆者的另一篇文章Node.js 與並發模型），本文便為大家介紹Node.js 的多進（線）程機制。
我們可使用child_process模組建立Node.js 的子進程，來完成一些特殊的任務（例如執行腳本），這個模組主要提供了exec、execFile、fork、spwan等方法，以下我們就簡單介紹下這些方法的使用。
const { exec } = require('child_process'); exec('ls -al', (error, stdout, stderr) => { console.log(stdout); });
該方法根據options.shell指定的可執行檔處理命令字串，在命令的執行過程中快取其輸出，直到指令執行完成後，再將執行結果以回呼函數參數的形式傳回。
該方法的參數解釋如下：
command：將要執行的命令（例如ls -al）；
options：參數設定（可不指定），相關屬性如下：
cwd：子程序的目前工作目錄，預設取process.cwd()的值；
env：環境變數設定（為鍵值對物件），預設取process.env的值；
encoding：字元編碼，預設值為：utf8;
shell：處理命令字串的可執行文件，Unix上預設值為/bin/ sh，Windows上預設值取process.env.ComSpec# 的值（如為空則為cmd.exe）；例如：
const { exec } = require('child_process'); exec("print('Hello World!')", { shell: 'python' }, (error, stdout, stderr) => { console.log(stdout); });
運行上面的範例將輸出Hello World!，這等同於子程序執行了python -c "print('Hello World!')"指令，因此在使用該屬性時需要注意，所指定的可執行檔必須支援透過-c選項來執行相關語句。
註：剛好Node.js也支援-c選項，但它等同於--check選項，只用來偵測指定的腳本是否有語法錯誤，並不會執行相關腳本。
signal：使用指定的AbortSignal終止子進程，該屬性在v14.17.0 以上可用，例如：
const { exec } = require('child_process'); const ac = new AbortController(); exec('ls -al', { signal: ac.signal }, (error, stdout, stderr) => {});
上例中，我們可透過呼叫ac.abort()來提前終止子程序。
timeout：子程序的逾時時間（如果該屬性的值大於0，那麼當子程序運行時間超過指定值時，將會給子程序發送屬性killSignal指定的終止訊號），單位毫米，預設值為0;
## maxBuffer：stdout 或stderr 所允許的最大快取（二進位），如果超出，子進程將會被殺死，並且將會截斷任何輸出，預設值為1024 * 1024;
killSignal：子程序終止訊號，預設值為SIGTERM;
：執行子程序的uid；
：執行子程序的gid
；windowsHide：是否隱藏子程序的控制台窗口，常用於
callback：回呼函數，包含error、
error：如果命令行执行成功，值为null，否则值为Error的一个实例，其中error.code为子进程的退出的错误码，error.signal为子进程终止的信号；stdout和stderr：子进程的stdout和stderr，按照encoding属性的值进行编码，如果encoding的值为buffer，或者stdout、stderr的值是一个无法识别的字符串，将按照buffer进行编码。const { execFile } = require('child_process'); execFile('ls', ['-al'], (error, stdout, stderr) => { console.log(stdout); });
该方法的功能类似于exec，唯一的区别是execFile在默认情况下直接用指定的可执行文件（即参数file的值）处理命令，这使得其效率略高于exec（如果查看shell 的处理逻辑，笔者感觉这效率可忽略不计）。
该方法的参数解释如下：
file：可执行文件的名字或路径；
args：可执行文件的参数列表；
options：参数设置（可不指定），相关属性如下：
shell：值为false时表示直接用指定的可执行文件（即参数file的值）处理命令，值为true或其它字符串时，作用等同于exec中的shell，默认值为false；windowsVerbatimArguments：在Windows中是否对参数进行引号或转义处理，在Unix中将忽略该属性，默认值为false；cwd、env、encoding、timeout、maxBuffer、killSignal、uid、gid、windowsHide、signal在上文中已介绍，此处不再重述。callback：回调函数，等同于exec中的callback，此处不再阐述。
const { fork } = require('child_process'); const echo = fork('./echo.js', { silent: true }); echo.stdout.on('data', (data) => { console.log(`stdout: ${data}`); }); echo.stderr.on('data', (data) => { console.error(`stderr: ${data}`); }); echo.on('close', (code) => { console.log(`child process exited with code ${code}`); });
该方法用于创建新的 Node.js 实例以执行指定的 Node.js 脚本，与父进程之间以 IPC 方式进行通信。
该方法的参数解释如下：
modulePath：要运行的 Node.js 脚本路径；
args：传递给 Node.js 脚本的参数列表；
options：参数设置（可不指定），相关属性如：
detached：参见下文对spwan中options.detached的说明；
execPath：创建子进程的可执行文件；
execArgv：传递给可执行文件的字符串参数列表，默认取process.execArgv的值；
serialization：进程间消息的序列号类型，可用值为json和advanced，默认值为json；
slient： 如果为true，子进程的stdin、stdout和stderr将通过管道传递给父进程，否则将继承父进程的stdin、stdout和stderr；默认值为false；
stdio：参见下文对spwan中options.stdio的说明。这里需要注意的是：
slient的值；ipc的选项（比如[0, 1, 2, 'ipc']），否则将抛出异常。属性cwd、env、uid、gid、windowsVerbatimArguments、signal、timeout、killSignal在上文中已介绍，此处不再重述。
const { spawn } = require('child_process'); const ls = spawn('ls', ['-al']); ls.stdout.on('data', (data) => { console.log(`stdout: ${data}`); }); ls.stderr.on('data', (data) => { console.error(`stderr: ${data}`); }); ls.on('close', (code) => { console.log(`child process exited with code ${code}`); });
该方法为child_process模块的基础方法，exec、execFile、fork最终都会调用spawn来创建子进程。
该方法的参数解释如下：
command：可执行文件的名字或路径；
args：传递给可执行文件的参数列表；
options：参数设置（可不指定），相关属性如下：
argv0：发送给子进程 argv[0] 的值，默认取参数command的值；
detached：是否允许子进程可以独立于父进程运行（即父进程退出后，子进程可以继续运行），默认值为false，其值为true时，各平台的效果如下所述：
Windows系统中，父进程退出后，子进程可以继续运行，并且子进程拥有自己的控制台窗口（该特性一旦启动后，在运行过程中将无法更改）；Windows系统中，子进程将作为新进程会话组的组长，此刻不管子进程是否与父进程分离，子进程都可以在父进程退出后继续运行。需要注意的是，如果子进程需要执行长时间的任务，并且想要父进程提前退出，需要同时满足以下几点：
unref方法从而将子进程从父进程的事件循环中剔除；detached设置为true；stdio为ignore。比如下面的例子：
// hello.js const fs = require('fs'); let index = 0; function run() { setTimeout(() => { fs.writeFileSync('./hello', `index: ${index}`); if (index < 10) { index += 1; run(); } }, 1000); } run(); // main.js const { spawn } = require('child_process'); const child = spawn('node', ['./hello.js'], { detached: true, stdio: 'ignore' }); child.unref();
stdio：子进程标准输入输出配置，默认值为pipe，值为字符串或数组：
pipe被转换为['pipe', 'pipe', 'pipe']），可用值为pipe、overlapped、ignore、inherit；stdin、stdout和stderr的配置，每一项的可用值为pipe、overlapped、ignore、inherit、ipc、Stream 对象、正整数（在父进程打开的文件描述符）、null（如位于数组的前三项，等同于pipe，否则等同于ignore）、undefined（如位于数组的前三项，等同于pipe，否则等同于ignore）。属性cwd、env、uid、gid、serialization、shell（值为boolean或string）、windowsVerbatimArguments、windowsHide、signal、timeout、killSignal在上文中已介绍，此处不再重述。
上文对child_process模块中主要方法的使用进行了简短介绍，由于execSync、execFileSync、forkSync、spwanSync方法是exec、execFile、spwan的同步版本，其参数并无任何差异，故不再重述。
通过cluster模块我们可以创建 Node.js 进程集群，通过 Node.js 进程进群，我们可以更加充分地利用多核的优势，将程序任务分发到不同的进程中以提高程序的执行效率；下面将通过例子为大家介绍cluster模块的使用：
const http = require('http'); const cluster = require('cluster'); const numCPUs = require('os').cpus().length; if (cluster.isPrimary) { for (let i = 0; i < numCPUs; i++) { cluster.fork(); } } else { http.createServer((req, res) => { res.writeHead(200); res.end(`${process.pid}\n`); }).listen(8000); }
上例通过cluster.isPrimary属性判断（即判断当前进程是否为主进程）将其分为两个部分：
cluster.fork调用来创建相应数量的子进程；8000）。运行上面的例子，并在浏览器中访问http://localhost:8000/，我们会发现每次访问返回的pid都不一样，这说明了请求确实被分发到了各个子进程。Node.js 默认采用的负载均衡策略是轮询调度，可通过环境变量NODE_CLUSTER_SCHED_POLICY或cluster.schedulingPolicy属性来修改其负载均衡策略：
NODE_CLUSTER_SCHED_POLICY = rr // 或 none cluster.schedulingPolicy = cluster.SCHED_RR; // 或 cluster.SCHED_NONE
另外需要注意的是，虽然每个子进程都创建了 HTTP server，并都监听了同一个端口，但并不代表由这些子进程自由竞争用户请求，因为这样无法保证所有子进程的负载达到均衡。所以正确的流程应该是由主进程监听端口，然后将用户请求根据分发策略转发到具体的子进程进行处理。
由于进程之间是相互隔离的，因此进程之间一般通过共享内存、消息传递、管道等机制进行通讯。Node.js 则是通过消息传递来完成父子进程之间的通信，比如下面的例子：
const http = require('http'); const cluster = require('cluster'); const numCPUs = require('os').cpus().length; if (cluster.isPrimary) { for (let i = 0; i < numCPUs; i++) { const worker = cluster.fork(); worker.on('message', (message) => { console.log(`I am primary(${process.pid}), I got message from worker: "${message}"`); worker.send(`Send message to worker`) }); } } else { process.on('message', (message) => { console.log(`I am worker(${process.pid}), I got message from primary: "${message}"`) }); http.createServer((req, res) => { res.writeHead(200); res.end(`${process.pid}\n`); process.send('Send message to primary'); }).listen(8000); }
运行上面的例子，并访问http://localhost:8000/，再查看终端，我们会看到类似下面的输出：
I am primary(44460), I got message from worker: "Send message to primary" I am worker(44461), I got message from primary: "Send message to worker" I am primary(44460), I got message from worker: "Send message to primary" I am worker(44462), I got message from primary: "Send message to worker"
利用该机制，我们可以监听各子进程的状态，以便在某个子进程出现意外后，能够及时对其进行干预，以保证服务的可用性。
cluster模块的接口非常简单，为了节省篇幅，这里只对cluster.setupPrimary方法做一些特别声明，其它方法请查看官方文档：
cluster.setupPrimary调用后，相关设置将同步到在cluster.settings属性中，并且每次调用都基于当前cluster.settings属性的值；cluster.setupPrimary调用后，对已运行的子进程没有影响，只影响后续的cluster.fork调用；cluster.setupPrimary调用后，不影响后续传递给cluster.fork调用的env参数；cluster.setupPrimary只能在主进程中使用。前文我们对cluster模块进行了介绍，通过它我们可以创建 Node.js 进程集群以提高程序的运行效率，但cluster基于多进程模型，进程间高成本的切换以及进程间资源的隔离，会随着子进程数量的增加，很容易导致因系统资源紧张而无法响应的问题。为解决此类问题，Node.js 提供了worker_threads，下面我们通过具体的例子对该模块的使用进行简单介绍：
// server.js const http = require('http'); const { Worker } = require('worker_threads'); http.createServer((req, res) => { const httpWorker = new Worker('./http_worker.js'); httpWorker.on('message', (result) => { res.writeHead(200); res.end(`${result}\n`); }); httpWorker.postMessage('Tom'); }).listen(8000); // http_worker.js const { parentPort } = require('worker_threads'); parentPort.on('message', (name) => { parentPort.postMessage(`Welcone ${name}!`); });
上例展示了worker_threads的简单使用，在使用worker_threads的过程中，需要注意以下几点：
通过worker_threads.Worker创建 Worker 实例，其中 Worker 脚本既可以为一个独立的JavaScript文件，也可以为字符串，比如上例可修改为：
const code = "const { parentPort } = require('worker_threads'); parentPort.on('message', (name) => {parentPort.postMessage(`Welcone ${name}!`);})"; const httpWorker = new Worker(code, { eval: true });
通过worker_threads.Worker创建 Worker 实例时，可以通过指定workerData的值来设置 Worker 子线程的初始元数据，比如：
// server.js const { Worker } = require('worker_threads'); const httpWorker = new Worker('./http_worker.js', { workerData: { name: 'Tom'} }); // http_worker.js const { workerData } = require('worker_threads'); console.log(workerData);
通过worker_threads.Worker创建 Worker 实例时，可通过设置SHARE_ENV以实现在 Worker 子线程与主线程之间共享环境变量的需求，比如：
const { Worker, SHARE_ENV } = require('worker_threads'); const worker = new Worker('process.env.SET_IN_WORKER = "foo"', { eval: true, env: SHARE_ENV }); worker.on('exit', () => { console.log(process.env.SET_IN_WORKER); });
不同于cluster中进程间的通信机制，worker_threads采用的MessageChannel来进行线程间的通信：
parentPort.postMessage方法发送消息给主线程，并通过监听parentPort的message事件来处理来自主线程的消息；httpWorker，以下均以此代替 Worker 子线程）的postMessage方法发送消息给httpWorker，并通过监听httpWorker的message事件来处理来自 Worker 子线程的消息。在 Node.js 中，无论是cluster创建的子进程，还是worker_threads创建的 Worker 子线程，它们都拥有属于自己的 V8 实例以及事件循环，所不同的是：
尽管看起来 Worker 子线程比子进程更高效，但 Worker 子线程也有不足的地方，即cluster提供了负载均衡，而worker_threads则需要我们自行完成负载均衡的设计与实现。
本文介紹了Node.js 中child_process、cluster和worker_threads三個模組的使用，透過這三個模組，我們可以充分利用CPU 多核心的優勢，並以多進（線）程的模式來有效率地解決一些特殊任務（如AI、圖片處理等）的運作效率。每個模組都有其適用的場景，文中僅對其基本使用進行了說明，如何結合自己的問題進行高效地運用，還需要大家自行摸索。最後，本文若有紕漏之處，也望大家能指正，祝大家快樂編碼每一天。
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以上是聊聊Node.js中的多進程和多線程的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！
