nodejs中的子程序，深入解析child_process模組和cluster模組
node遵循的是單執行緒單程序的模式，node的單執行緒是指js的引擎只有一個例項，且在nodejs的主執行緒中執行，同時node以事件驅動的方式處理IO等非同步操作。node的單執行緒模式，只維持一個主執行緒，大大減少了執行緒間切換的開銷。
但是node的單執行緒使得在主執行緒不能進行CPU密集型操作，否則會阻塞主執行緒。對於CPU密集型操作，在node中通過child_process可以建立獨立的子程序，父子程序通過IPC通訊，子程序可以是外部應用也可以是node子程式，子程序執行後可以將結果返回給父程序。
此外，node的單執行緒，以單一程序執行，因此無法利用多核CPU以及其他資源，為了排程多核CPU等資源，node還提供了cluster模組，利用多核CPU的資源，使得可以通過一串node子程序去處理負載任務，同時保證一定的負載均衡型。本文從node的單執行緒單程序的理解觸發，介紹了child_process模組和cluster模組，本文的結構安排如下：
- node中的單執行緒和單程序
- node中的child_process模組實現多程序
- node中的cluster模組
- 總結
原文的地址，在我的部落格中：https://github.com/forthealll...
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一、node中的單執行緒和單程序
首先要理解的概念是，node的單執行緒和單程序的模式。node的單執行緒於其他語言的多執行緒模式相比，減小了執行緒間切換的開銷，以及在寫node程式碼的時候不用考慮鎖以及執行緒池的問題。node宣稱的單執行緒模式，比其他語言更加適合IO密集型操作。那麼一個經典的問題是：
node是真的單執行緒的嗎？
提到node，我們就可以立刻想到單執行緒、非同步IO、事件驅動等字眼。首先要明確的是node真的是單執行緒的嗎，如果是單執行緒的，那麼非同步IO，以及定時事件（setTimeout、setInterval等）又是在哪裡被執行的。
嚴格來說，node並不是單執行緒的。node中存在著多種執行緒，包括：
- js引擎執行的執行緒
- 定時器執行緒(setTimeout, setInterval)
- 非同步http執行緒(ajax)
....
我們平時所說的單執行緒是指node中只有一個js引擎在主執行緒上執行。其他非同步IO和事件驅動相關的執行緒通過libuv來實現內部的執行緒池和執行緒排程。libv中存在了一個Event Loop，通過Event Loop來切換實現類似於多執行緒的效果。簡單的來講Event Loop就是維持一個執行棧和一個事件佇列，當前執行棧中的如果發現非同步IO以及定時器等函式，就會把這些非同步回撥函式放入到事件佇列中。當前執行棧執行完成後，從事件佇列中，按照一定的順序執行事件佇列中的非同步回撥函式。
上圖中從執行棧，到事件佇列，最後事件佇列中按照一定的順序執行回撥函式，整個過程就是一個簡化版的Event Loop。此外回撥函式執行時，同樣會生成一個執行棧，在回撥函式裡面還有可能巢狀非同步的函式，也就是說執行棧存在著巢狀。
也就是說node中的單執行緒是指js引擎只在唯一的主執行緒上執行，其他的非同步操作，也是有獨立的執行緒去執行，通過libv的Event Loop實現了類似於多執行緒的上下文切換以及執行緒池排程。執行緒是最小的程序，因此node也是單程序的。這樣就解釋了為什麼node是單執行緒和單程序的。
二、node中的child_process模組實現多程序
node是單程序的，必然存在一個問題，就是無法充分利用cpu等資源。node提供了child_process模組來實現子程序，從而實現一個廣義上的多程序的模式。通過child_process模組，可以實現1個主程序，多個子程序的模式，主程序稱為master程序，子程序又稱工作程序。在子程序中不僅可以呼叫其他node程式，也可以執行非node程式以及shell命令等等，執行完子程序後，以流或者回調的形式返回。
1、child_process模組提供的API
child_process提供了4個方法，用於新建子程序，這4個方法分別為spawn、execFile、exec和fork。所有的方法都是非同步的，可以用一張圖來描述這4個方法的區別。
上圖可以展示出這4個方法的區別，我們也可以簡要介紹這4中方法的不同。
- spawn： 子程序中執行的是非node程式，提供一組引數後，執行的結果以流的形式返回。
- execFile：子程序中執行的是非node程式，提供一組引數後，執行的結果以回撥的形式返回。
- exec：子程序執行的是非node程式，傳入一串shell命令，執行後結果以回撥的形式返回，與execFile
不同的是exec可以直接執行一串shell命令。 - fork：子程序執行的是node程式，提供一組引數後，執行的結果以流的形式返回，與spawn不同，fork生成的子程序只能執行node應用。接下來的小節將具體的介紹這一些方法。
2、execFile和exec
我們首先比較execFile和exec的區別，這兩個方法的相同點：
執行的是非node應用，且執行後的結果以回撥函式的形式返回。
不同點是：
exec是直接執行的一段shell命令，而execFile是執行的一個應用
舉例來說，echo是UNIX系統的一個自帶命令，我們直接可以在命令列執行：
echo hello world
結果，在命令列中會打印出hello world.
(1) 通過exec來實現
新建一個main.js檔案中，如果要使用exec方法，那麼則在該檔案中寫入：
let cp=require('child_process');
cp.exec('echo hello world',function(err,stdout){
console.log(stdout);
});
執行這個main.js，結果會輸出hello world。我們發現exec的第一個引數，跟shell命令完全相似。
(2)通過execFile來實現
let cp=require('child_process');
cp.execFile('echo',['hello','world'],function(err,stdout){
console.log(stdout);
});
execFile類似於執行了名為echo的應用，然後傳入引數。execFlie會在process.env.PATH的路徑中依次尋找是否有名為'echo'的應用，找到後就會執行。預設的process.env.PATH路徑中包含了'usr/local/bin',而這個'usr/local/bin'目錄中就存在了這個名為'echo'的程式，傳入hello和world兩個引數，執行後返回。
(3)安全性分析
像exec那樣，可以直接執行一段shell是極為不安全的，比如有這麼一段shell：
echo hello world;rm -rf
通過exec是可以直接執行的，rm -rf會刪除當前目錄下的檔案。exec正如命令列一樣，執行的等級很高，執行後會出現安全性的問題，而execFile不同：
execFile('echo',['hello','world',';rm -rf'])
在傳入引數的同時，會檢測傳入實參執行的安全性，如果存在安全性問題，會丟擲異常。除了execFile外，spawn和fork也都不能直接執行shell，因此安全性較高。
3、spawn
spawn同樣是用於執行非node應用，且不能直接執行shell，與execFile相比，spawn執行應用後的結果並不是執行完成後，一次性的輸出的，而是以流的形式輸出。對於大批量的資料輸出，通過流的形式可以介紹記憶體的使用。
我們用一個檔案的排序和去重來舉例：
上述圖片示意圖中，首先讀取的input.txt檔案中有acba未經排序的文字，通過sort程式後可以實現排序功能，輸出為aabc，最後通過uniq程式可以去重，得到abc。我們可以用spawn流形式的輸入輸出來實現上述功能：
let cp=require('child_process');
let cat=cp.spawn('cat',['input.txt']);
let sort=cp.spawn('sort');
let uniq=cp.spawn('uniq');
cat.stdout.pipe(sort.stdin);
sort.stdout.pipe(uniq.stdin);
uniq.stdout.pipe(process.stdout);
console.log(process.stdout);
執行後，最後的結果將輸入到process.stdout中。如果input.txt這個檔案較大，那麼以流的形式輸入輸出可以明顯減小記憶體的佔用，通過設定緩衝區的形式，減小記憶體佔用的同時也可以提高輸入輸出的效率。
4、fork
在javascript中，在處理大量計算的任務方面，HTML裡面通過web work來實現，使得任務脫離了主執行緒。在node中使用了一種內置於父程序和子程序之間的通訊來處理該問題，降低了大資料執行的壓力。node中提供了fork方法，通過fork方法在單獨的程序中執行node程式，並且通過父子間的通訊，子程序接受父程序的資訊，並將執行後的結果返回給父程序。
使用fork方法，可以在父程序和子程序之間開放一個IPC通道，使得不同的node程序間可以進行訊息通訊。
在子程序中：
通過process.on('message')和process.send()的機制來接收和傳送訊息。
在父程序中：
通過child.on('message')和process.send()的機制來接收和傳送訊息。
具體例子，在child.js中：
process.on('message',function(msg){
process.send(msg)
})
在parent.js中：
let cp=require('child_process');
let child=cp.fork('./child');
child.on('message',function(msg){
console.log('got a message is',msg);
});
child.send('hello world');
執行parent.js會在命令列輸出：got a message is hello world
中斷父子間通訊的方式，可以通過在父程序中呼叫：
child.disconnect()
來實現斷開父子間IPC通訊。
5、同步執行的子程序
exec、execFile、spawn和fork執行的子程序都是預設非同步的，子程序的執行不會阻塞主程序。除此之外，child_process模組同樣也提供了execFileSync、spawnSync和execSync來實現同步的方式執行子程序。
三、node中的cluster模組
cluster意為整合，集成了兩個方面，第一個方面就是集成了child_process.fork方法建立node子程序的方式，第二個方面就是集成了根據多核CPU建立子程序後，自動控制負載均衡的方式。
我們從官網的例子來看：
const cluster = require('cluster');
const http = require('http');
const numCPUs = require('os').cpus().length;
if (cluster.isMaster) {
console.log(`主程序 ${process.pid} 正在執行`);
// 衍生工作程序。
for (let i = 0; i < numCPUs; i++) {
cluster.fork();
}
cluster.on('exit', (worker, code, signal) => {
console.log(`工作程序 ${worker.process.pid} 已退出`);
});
} else {
// 工作程序可以共享任何 TCP 連線。
// 在本例子中，共享的是一個 HTTP 伺服器。
http.createServer((req, res) => {
res.writeHead(200);
res.end('你好世界\n');
}).listen(8000);
console.log(`工作程序 ${process.pid} 已啟動`);
}
最後輸出的結果為：
$ node server.js 主程序 3596 正在執行 工作程序 4324 已啟動 工作程序 4520 已啟動 工作程序 6056 已啟動 工作程序 5644 已啟動
我們將master稱為主程序，而worker程序稱為工作程序，利用cluster模組，使用node封裝好的API、IPC通道和排程機可以非常簡單的建立包括一個master程序下HTTP代理伺服器 + 多個worker程序多個HTTP應用伺服器的架構。
總結
本文首先介紹了node的單執行緒和單程序模式，接著從單執行緒的缺陷觸發，介紹了node中如何實現子程序的方法，對比了child_process模組中幾種不同的子程序生成方案，最後簡單介紹了內建的可以實現子程序以及CPU程序負載均衡的內建整合模組cluster。