2.10　多進程服務

2.10.1　child_process模塊

我們現在已經知道了Node是單線程運行的，這表示潛在的錯誤有可能導致線程崩潰，然后進程也會隨著退出，無法做到企業追求的穩定性；另一方面，單進程也無法充分多核CPU，這是對硬件本身的浪費。Node社區本身也意識到了這一問題，于是從0.1版本就提供了child_process模塊，用來提供多進程的支持。

child_process模塊中包括了很多創建子進程的方法，包括fork、spawn、exec、execFile等等。它們的定義如下：

• child_process.exec(command[, options][, callback])
• child_process.spawn(command[, args][, options])
• child_process.fork(modulePath[, args][, options])
• child_process.execFile(file[, args][, options][,callback])

在這4個API中以spawn最為基礎，因為其他三個API或多或少都是借助spawn實現的。

2.10.2　spawn

spawn方法的聲明格式如下：

spawn方法會使用指定的command來生成一個新進程，執行完對應的command后子進程會自動退出。

該命令返回一個child_process對象，這代表開發者可以通過監聽事件來獲得命令執行的結果。

代碼2.26　使用spwan來執行ls命令

其中spawn的第一個參數雖然是command，但實際接收的卻是一個file，代碼2.25可以在Linux或者Mac OSX上運行，這是由于ls命令也是以可執行文件形式存在的。

類似的，在Windows系統下我們可以試著使用dir命令來實現功能類似的代碼：

然而在Windows下執行上面代碼會出現形如Error: spawn dir ENOENT的錯誤。

原因就在于spawn實際接收的是一個文件名而非命令，正確的代碼如下：

這個問題的原因與操作系統本身有關，在Linux中，一般都是文件，命令行的命令也不例外，例如ls命令是一個名為ls的可執行文件；而在Windows中并沒有名為dir的可執行文件，需要通過cmd或者powershell之類的工具提供執行環境。

2.10.3　fork

在Linux環境下，創建一個新進程的本質是復制一個當前的進程，當用戶調用fork后，操作系統會先為這個新進程分配空間，然后將父進程的數據原樣復制一份過去，父進程和子進程只有少數值不同，例如進程標識符（PID）。

對于Node來說，父進程和子進程都有獨立的內存空間和獨立的V8實例，它們和父進程唯一的聯系是用來進程間通信的IPC Channel。

此外，Node中fork和POSIX系統調用的不同之處在于Node中的fork并不會復制父進程。

Node中的fork是上面提到的spawn的一種特例，前面也提到了Node中的fork并不會復制當前進程。多數情況下，fork接收的第一個參數是一個文件名，使用fork("xx.js")相當于在命令行下調用node xx.js，并且父進程和子進程之間可以通過process.send方法來進行通信。示例代碼如下：

代碼2.27　master.js——調用fork來創建一個子進程

代碼2.28　worker.js代碼

fork內部會通過spawn調用process.executePath，即Node的可執行文件地址（例如/Users/likai/.nvm/versions/node/v6.9.4/bin/node）來生成一個Node實例，然后再用這個實例來執行fork方法的modulePath參數。

2.10.4　exec和execFile

如果我們開發一種系統，那么對于不同的模塊可能會用到不同的技術來實現，例如Web服務器使用Node，然后再使用Java的消息隊列提供發布訂閱服務，這種情況下通常使用進程間通信的方式來實現。

但有時開發者不希望使用這么復雜的方式，或者要調用的干脆是一個黑盒系統，即無法通過修改源碼來進行來實現進程間通信，這時候往往采用折中的方式，例如通過shell來調用目標服務，然后再拿到對應的輸出。

筆者曾經做過一個項目，后臺用一個Spark集群來進行數據的分析，然后將結果繪成圖表展示給用戶，當時一種備選方案就是采用B/S架構并使用Node來做Web服務器，當用戶單擊頁面上的元素時，Node將其轉換為Spark集群中的命令，這個過程就是使用Node調用Shell來完成的。

1．Shell簡介

Shell其實很簡單，在控制臺輸入cd ~/desktop，然后回車，這就是最簡單的shell命令，把這行命令寫在文本里就是一個shell腳本。

例如：

在Linux或者Mac OSX下可以使用命令：

來執行這個腳本，效果跟直接輸入命令：

是一樣的。

2．execFile方法

child_process提供了一個execFile方法，它的聲明如下：

說明：

• file {String}要運行的程序的文件名
• args {Array}字符串參數列表
• options {Object}
  • 　cwd {String}子進程的當前工作目錄
  • 　env {Object}環境變量鍵值對
  • 　encoding {String}編碼（默認為'utf8'）
  • 　timeout {Number}超時（默認為0）
  • 　maxBuffer {Number}緩沖區大小（默認為200*1024）
  • 　killSignal {String}結束信號（默認為'SIGTERM'）
• callback {Function}進程結束時回調并帶上輸出
  • 　error {Error}
  • 　stdout {Buffer}
  • 　stderr {Buffer}
  • 　返回：ChildProcess對象

可以看出，execfile和spawn在形式上的主要區別在于execfile提供了一個回調函數，通過這個回調函數可以獲得子進程的標準輸出/錯誤流。

使用shell進行跨進程調用長久以來被認為是不穩定的，這大概源于人們對控制臺不友好的交互體驗的恐懼（輸入命令后，很可能長時間看不到一個輸出，盡管后臺可能在一直運算，但在用戶看來和死機無異）。

在Linux下執行exec命令后，原有進程會被替換成新的進程，進而失去對新進程的控制，這代表著新進程的狀態也沒辦法獲取了，此外還有shell本身運行出現錯誤，或者因為各種原因出現長時間卡頓甚至失去響應等情況。

Node.js提供了比較好的解決方案，timeout解決了長時間卡頓的問題，stdout和stderr則提供了標準輸出和錯誤輸出，使得子進程的狀態可以被獲取。

2.10.5　各方法之間的比較

1．spawn和execfile

為了更好地說明，我們先寫一段簡單的C語言代碼，并將其命名為example.c：

使用gcc編譯該文件：

生成名為example的可執行文件，然后將這個可執行文件放到系統環境變量中（編輯~/.bash_profile），然后打開控制臺，輸入example，看到最后輸出"Hello World"。

確保這個可執行文件在任意路徑下都能訪問。

我們分別用spawn和execfile來調用example文件。

首先是spawn。

代碼2.29　使用spwan來調用

程序輸出：

程序正確打印出了Hello World，此外還可以看到example最后的return 5會被作為子進程結束的code被返回。

然后是execfile。

代碼2.30　使用execFile來調用

同樣打印出Hello World，可見除了調用形式不同，二者相差不大。

2．execFile和spawn

在子進程的信息交互方面，spawn使用了流式處理的方式，當子進程產生數據時，主進程可以通過監聽事件來獲取消息；而exec是將所有返回的信息放在stdout里面一次性返回的，也就是該方法的maxBuffer參數，當子進程的輸出超過這個大小時，會產生一個錯誤。

此外，spawn有一個名為shell的參數，下面是該參數在文檔中的定義：

其類型為一個布爾值或者字符串，如果這個值被設置為true，就會啟動一個shell來執行命令，這個shell在UNIX上是bin/sh，在Windows上則是cmd.exe。

3．exec和execfile

exec在內部也是通過調用execFile來實現的，我們可以從源碼中驗證這一點，在早期的Node源碼中，exec命令會根據當前環境來初始化一個shell，例如cmd.exe或者/bin/sh，然后在shell中調用作為參數的命令。

代碼2.31　Node V0.10.0源碼/lib/child_process.js

通常execFile的效率要高于exec，這是因為execFile沒有啟動一個shell，而是直接調用spawn來實現的。

2.10.6　進程間通信

前面介紹的幾個用于創建進程的方法，都是屬于child_process的類方法，此外childProcess類繼承了EventEmitter，在childProcess中引入事件給進程間通信帶來很大的便利。

childProcess中定義了如下事件。

• Event: 'close'：進程的輸入輸出流關閉時會觸發該事件。
• Event: 'disconnect'：通常childProcess.disconnect調用后會觸發這一事件。
• Event: 'exit'：進程退出時觸發。
• Event: 'message'：調用child_process.send會觸發這一事件。
• Event: 'error'：該事件的觸發分為幾種情況：
  • 該進程無法創建子進程。
  • 該進程無法通過kill方法關閉。
  • 無法發送消息給子進程。

Event: 'error'事件無法保證一定會被觸發，因為可能會遇到一些極端情況，例如服務器斷電等。

上面也提到，childProcess模塊定義了send方法，用于進程間通信，該方法的聲明如下：

通過send方法發送的消息，可以通過監聽message事件來獲取。

代碼2.32　父進程向子進程發送消息

代碼2.33　子進程接收父進程消息

send方法的第一個參數類型通常為一個json對象或者原始類型，第二個參數是一個句柄，該句柄可以是一個net.Socket或者net.Server對象。下面是一個例子：

代碼2.34　父進程發送一個Socket對象

代碼2.35　子進程接收socket對象

2.10.7　Cluster

前面已經介紹了child process的使用，child_process的一個重要使用場景是創建多進程服務來保證服務穩定運行。

為了統一Node創建多進程服務的方式，Node在0.6之后的版本中增加了Cluster模塊，Cluster可以看作是做了封裝的child_Process模塊。

Cluster模塊的一個顯著優點是可以共享同一個socket連接，這代表可以使用Cluster模塊實現簡單的負載均衡。

代碼2.36　Cluster的簡單例子

上面是使用Cluster模塊的一個簡單的例子，為了充分利用多核CPU，先調用OS模塊的cpus()方法來獲得CPU的核心數，假設主機裝有兩個CPU，每個CPU有4個核，那么總核數就是8。

在上面的代碼中，Cluster模塊調用fork方法來創建子進程，該方法和child_process中的fork是同一個方法。

Cluster模塊采用的是經典的主從模型，由master進程來管理所有的子進程，可以使用cluster.isMaster屬性判斷當前進程是master還是worker，其中主進程不負責具體的任務處理，其主要工作是負責調度和管理，上面的代碼中，所有的子進程都監聽8000端口。

通常情況下，如果多個Node進程監聽同一個端口時會出現Error: listen EADDRINUS的錯誤，而Cluster模塊能夠讓多個子進程監聽同一個端口的原因是master進程內部啟動了一個TCP服務器，而真正監聽端口的只有這個服務器，當來自前端的請求觸發服務器的connection事件后，master會將對應的socket句柄發送給子進程。