js的單線程和多進程

概述

現(xiàn)行的軟件架構(gòu)主要有兩種：單進程多線程(如：memcached、redis、mongodb等)和多進程單線程(nginx、node)。
單進程多線程的主要特點：

  • 快：線程比進程輕量，它的切換開銷要少很多。進程相當于函數(shù)間切換，每個函數(shù)擁有自己的變量；線程相當于一個函數(shù)內(nèi)的子函數(shù)切換，它們擁有相同的全局變量。
  • 靈活： 程序邏輯和控制方式簡單，但是鎖和全局變量同步比較麻煩。
  • 穩(wěn)定性不高： 由于只有一個進程，其內(nèi)部任何線程出現(xiàn)問題都有可能造成進程掛掉，造成不可用。
  • 性能天花板：線程和主程序受限2G地址空間；當線程到一定數(shù)量后，即使增加cpu也不能提升性能。

多進程單線程的主要特點：

  • 高性能：沒有頻繁創(chuàng)建和切換線程的開銷，可以在高并發(fā)的情況下保持低內(nèi)存占用；可以根據(jù)CPU的數(shù)量增加進程數(shù)。
  • 線程安全：沒有必要對變量進行加鎖解鎖的操作
  • 異步非阻塞：通過異步I/O可以讓cpu在I/O等待的時間內(nèi)去執(zhí)行其他操作，實現(xiàn)程序運行的非阻塞
  • 性能天花板：進程間的調(diào)度開銷大、控制復雜；如果需要跨進程通信，傳輸數(shù)據(jù)不能太大。

事實上異步通過信號量、消息等方式早就存在操作系統(tǒng)底層，但是一直沒有能在高級語言中推廣使用。
Linux Unix提供了epoll方便了高級語言的異步設計。epoll可以理解為event poll，不同于忙輪詢和無差別輪詢，epoll只會把哪個流發(fā)生了怎樣的I/O事件通知我們；libevent和libev都是對epoll的封裝，nginx自己實現(xiàn)了對epoll的封裝。

瀏覽器

在支持html5的瀏覽器里，可以使用webworker來將一些耗時的計算丟入worker進程中執(zhí)行，這樣主進程就不會阻塞，用戶也就不會有卡頓的感覺了。

<!DOCTYPE html>
    <head>
        <title>worker</title>
        <meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=utf-8"/>
        <script>
            function init(){
                //創(chuàng)建一個Worker對象，并向它傳遞將在新進程中執(zhí)行的腳本url
                var worker = new Worker('./webworker.js');
                //接收worker傳遞過來的數(shù)據(jù)
                worker.onmessage = function(event){
                    document.getElementById('result').innerHTML+=event.data+"<br/>" ;
                };
            };
        </script>
    </head>
    <body onload = "init()">
        <div id="result"></div>
    </body>
</html>

// webworker.js
var i = 0;
function timedCount(){
    for(var j = 0, sum = 0; j < 100; j++){
        for(var i = 0; i < 100000000; i++){
            sum+=i;
        };
    };
    //將得到的sum發(fā)送回主進程
    postMessage(sum);
};
//將執(zhí)行timedCount前的時間，通過postMessage發(fā)送回主進程
postMessage('Before computing, '+new Date());
timedCount();
//結(jié)束timedCount后，將結(jié)束時間發(fā)送回主進程
postMessage('After computing, ' +new Date());

Node

Nodejs通過其內(nèi)置的cluster模塊實現(xiàn)多進程。cluster是對child_process進行了封裝，目的是發(fā)揮多核服務器的性能；pm2 是當下最熱門的帶有負載均衡功能的 Node.js 應用進程管理器。實際開發(fā)時，我們不需要關注多進程環(huán)境。

進程模型

Node的多進程模型是一個主master多個從worker模式，master的職責如下：

  • 接收外界信號并向各worker進程發(fā)送信號
  • 監(jiān)控woker進程的運行狀態(tài)，當woker進程退出后（異常情況下），會自動重新啟動新的woker進程(進程守護)。
盜用圖片..

如果只是簡單的fork幾個進程，多個進程之間會競爭 accpet 一個連接，產(chǎn)生驚群現(xiàn)象，效率比較低。同時由于無法控制一個新的連接由哪個進程來處理，必然導致各 worker 進程之間的負載非常不均衡。

IPC

注： 這部分是從當我們談論 cluster 時我們在談論什么（下）copy而來

Node.js 中父進程調(diào)用 fork 產(chǎn)生子進程時，會事先構(gòu)造一個 pipe 用于進程通信。

  new process.binding('pipe_wrap').Pipe(true);

構(gòu)造出的 pipe 最初還是關閉的狀態(tài)，或者說底層還并沒有創(chuàng)建一個真實的 pipe，直至調(diào)用到 libuv 底層的uv_spawn, 利用 socketpair 創(chuàng)建的全雙工通信管道綁定到最初 Node.js 層創(chuàng)建的 pipe 上。
管道此時已經(jīng)真實的存在了，父進程保留對一端的操作，通過環(huán)境變量將管道的另一端文件描述符 fd 傳遞到子進程。

  options.envPairs.push('NODE_CHANNEL_FD=' + ipcFd);

子進程啟動后通過環(huán)境變量拿到 fd

  var fd = parseInt(process.env.NODE_CHANNEL_FD, 10);

并將 fd 綁定到一個新構(gòu)造的 pipe 上

  var p = new Pipe(true);
  p.open(fd);

于是父子進程間用于雙向通信的所有基礎設施都已經(jīng)準備好了。

總結(jié)下，Nodejs通過pipe實現(xiàn)IPC，主要包括以下幾個步驟：

  • 主進程在fork產(chǎn)生子進程前生成一個pipe占位符，提示后續(xù)會有pipe創(chuàng)建。
  • 通過系統(tǒng)的socketpair把雙工通道綁定到此pipe占位符上。
  • 通過環(huán)境變量把文件描述符fd傳給子進程。
  • 子進程通過fd創(chuàng)建pipe，此pipe替代占位符進行通信。

例子：

// master
const WriteWrap = process.binding('stream_wrap').WriteWrap;
var cp = require('child_process');

var worker = cp.fork(__dirname + '/ipc_worker.js');
var channel = worker._channel;

channel.onread = function (len, buf, handle) {
    if (buf) {
        console.log(buf.toString())
        channel.close()
    } else {
        channel.close()
        console.log('channel closed');
    }
}

var message = { hello: 'worker',  pid: process.pid };
var req = new WriteWrap();
var string = JSON.stringify(message) + '\n';
channel.writeUtf8String(req, string, null);

// worker
const WriteWrap = process.binding('stream_wrap').WriteWrap;
const channel = process._channel;

channel.ref();
channel.onread = function (len, buf, handle) {
    if (buf) {
        console.log(buf.toString())
    }else{
        process._channel.close()
        console.log('channel closed');
    }
}

var message = { hello: 'master',  pid: process.pid };
var req = new WriteWrap();
var string = JSON.stringify(message) + '\n';
channel.writeUtf8String(req, string, null);
進程失聯(lián)

進程失聯(lián)是在子進程退出前通知主進程，主進程fork一個新的子進程，然后原來的子進程退出；主進程通過是子進程的disconnect事件監(jiān)聽其狀態(tài)。
例子：

const WriteWrap = process.binding('stream_wrap').WriteWrap;
const net = require('net');
const fork = require('child_process').fork;

var workers = [];
for (var i = 0; i < 4; i++) {
     var worker = fork(__dirname + '/multi_worker.js');
     worker.on('disconnect', function () {
         console.log('[%s] worker %s is disconnected', process.pid, worker.pid);
     });
     workers.push(worker);
}

var handle = net._createServerHandle('0.0.0.0', 3000);
handle.listen();
handle.onconnection = function (err,handle) {
    var worker = workers.pop();
    var channel = worker._channel;
    var req = new WriteWrap();
    channel.writeUtf8String(req, 'dispatch handle', handle);
    workers.unshift(worker);
}

const net = require('net');
const WriteWrap = process.binding('stream_wrap').WriteWrap;
const channel = process._channel;
var buf = 'hello Node.js';
var res = ['HTTP/1.1 200 OK','content-length:' + buf.length].join('\r\n') + '\r\n\r\n' + buf;

channel.ref(); //防止進程退出
channel.onread = function (len, buf, handle) {
    console.log('[%s] worker %s got a connection', process.pid, process.pid);
    var socket = new net.Socket({
        handle: handle
    });
    socket.readable = socket.writable = true;
    socket.end(res);
    console.log('[%s] worker %s is going to disconnect', process.pid, process.pid);
    channel.close();
}
參考文章

當我們談論 cluster 時我們在談論什么(上)
當我們談論 cluster 時我們在談論什么（下）

多進程單線程模型與單進程多線程模型之爭
多進程和多線程的優(yōu)缺點
Node.js的線程和進程

最后編輯于 ：
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