[译]深入理解 Node.js Worker Threads

最近工作中又有可能需要写 Node.js 应用了，距离上次写 Node.js 应用也有好些年了，所以就开始重新熟悉下 Node.js 了。刚好最近又在学 Go，其最大的特点就是简单、轻量级的并发模型。非常容易用它编写一个能够充分利用硬件资源的高性能应用。于是不免想起以前学习 Node.js 时会遇到的问题：如何让 Node.js 充分利用多核 CPU 的资源。于是，让我发现了，Node.js 从 v10.5.0 开始引入 worker_threads 模块来解决该问题。并让我发现了这篇文章。

此文为译文，原文如下。

译自 Deep Dive into Worker Threads in Node.js

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多年来，Node.js 一直都不是实现 CPU 密集型应用的最佳选择。其中最主要的原因就是 Node.js 仅仅是 Javascript 而 JavaScript 是单线程的。作为该问题一个解决方法，Node.js 从 v10.5.0 开始引入了实验性的 Worker Threads 概念，并将其体现在 worker_threads 模块，该模块从 Node.js v12 LTS 开始作为一个稳定功能模块提供出来。在这边文章中，我将会说明它们是如何工作的，怎样使用 worker threads 才能获取最好的性能。假如你对 Node.js worker threads 还不了解的话，我建议你查看它们的官方文档 。

注：文中引用的 Node.js 代码片段版本为 921493e 。

Node.js 的 CPU 密集型应用的历史

在 worker threads 出现前，就已经有很多种方案来完成基于 Node.js 的 CPU 密集型应用。常见的有如下几种：

• 使用 child_process 模块，在子进程中运行耗费 CPU 的代码操作。
• 使用 cluster 模块，在多个进程中运行耗费 CPU 资源的代码操作。
• 使用第三方模块，如 Microsoft 的 Napa.js 。

但是，由于性能局限、额外的引入学习成本、接受度的不足、不稳定性以及文档缺失等原因，这其中没
一个方案是能被广泛接受的。

使用 worker threads 来执行 CPU 密集的代码操作

尽管 worker_threads 对于 JavaScript 的并发问题来说是一个优雅的解决方案，但是其实 JavaScript 本身并没有引进将多线程的语言特性。实际上，worker_threads 是通过允许应用可以运行多个独立 JavaScript workers，workers 和 其父 workers 可以通过 Node.js 来通信。听起来很困惑？

在 Node.js 中，每个 worker 有他自己的 V8 实例和事件循环机制(Event Loop)。但是，和子进程不同，workers 是可以共享内存的。

在此文的后面我会解释它们是如何能够拥有独立的 V8 实例和事件循环(Event Loop)的。不过我们先来看看我们能如何使用 worker threads。下面是一个基本用法的示例：worker-simple.js

const {
     Worker, isMainThread, parentPort, workerData} = require('worker_threads');
if (isMainThread) {
     
 const worker = new Worker(__filename, {
     workerData: {
     num: 5}});
 worker.once('message', (result) => {
     
 console.log('square of 5 is :', result);
 })
} else {
     
 parentPort.postMessage(workerData.num * workerData.num)
}

在上面的例子中，我们将一个数字传给另一个 worker 来计算其平方值。在完成计算后，该 child worker
会将其结果发送给 main worker。尽管这看起来很简单，但是如果你不了解 Node.js 的 worker threads
的话，还是会觉得有些困惑的。

worker threads 是如何工作的

JavaScript 并没有多线程的特性，所以 Node.js 的 Worker Threads 和其他支持多线程的高级语言在处理上是不一样的。

在 Node.js 中，一个 worker 的职责就是执行 parent worker 提供给他的代码片段(worker script)。这个 worker script 可以是一个单独的文件，也可以是一个能够被 eval 代码文本；它将被放在别的 worker 中独立运行，且 该 worker 和其 parent worker 之间是可以传递消息的。在我们的例子中，我们提供了 __filename 作为这个代码片段，那是因为 worker 和 parent worker 的执行代码是一样的，只是在其中通过 isMainThread 来区分了。

每一个 worker 都通过一个 message channel 来和其 parent worker 通信。child worker 可以通过 parentPort.postMessage 将信息写入信道，而 parent worker 需要通过 worker.postMessage() 来将消息写入信道。看看下图(图一)他们是如何工作的

一个信道就是一个简单的通信渠道。它有两个端口，被叫做 ‘ports’。在 JavaScript / NodeJS 中，信道的两端就只是被简单的叫做‘port1’ 和 ‘port2’……

Node.js workers 是如何并行运行的

现在，最大的问题就是,，既然 JavaScript 本身并不支持并行，那么两个 Node.js workers 是如何并行执行的呢？

答案就是 V8 Isolates 。

V8 Isolates 是一个独立的 chrome V8 运行实例，其有独立的 JS 堆和微任务队列。这就为每一个Node.js worker 独立运行提供了保障。其缺陷就是，workers 之间没法直接访问对方的堆。由于这个原因，每个 worker 都有其自己的 libuv event loop。

跨越 JS/C++ 的界限

Worker 的实例化和通信是通过 C++ 的 worker 来实现的。该模块的实现在 worker.cc 。

Worker 的实现通过 worker_threads 模块暴露在了 JavaScript 的用户空间。这个 JS 的实现被分成了两个 scripts ：

• [Worker 初始化脚本] - 负责初始化 worker 实例并设置 parent-child worker 之间的通信使得 parent worker 可以将 metadata 传递给 child worker。
• [Worker 执行脚本] - 负责使用用户提供的 workerData 和 parent worker 提供的 metadata 来执行用户的 JS 脚本。

下图（图二）提供了一个更清晰的说明。看看该图描述了些什么

按照上面说的，我们可以把 worker 的设置进程分成两步。

• 初始化 worker
• 运行 worker

让我们看卡这两步都干了啥。

初始化阶段

1. 用户空间的脚本通过 worker_threads 模块创建一个 worker 实例
2. Node.js 的 parent worker 初始化脚本调用 C++ 模块，创建一个空的 C++ worker 对象。
3. 当 C++ worker 对象被创建后，它生成一个线程 ID 并分配给自己
4. 当 worker 对象被创建的时候，parent worker 会初创建一个空的始化信道（让我们称它为 IMC）。就是上面图二的 “Initialisation Message Channel”
5. Node.js 的 parent worker 初始化脚本创建一个公共的 JS 信道（让我们称它为 PMC）。该信道是给用户空间的 JS 使用的，便于他们在 parent worker 和 child worker 之间通过 *.postMessage() 方法来传递消息。就是上面图一和图二的红色部分
6. Node.js 的 parent worker 初始化脚本调用 C++ 模块，将初始化的 metadata 写入 IMC 来传递给 worker 的执行脚本。

初始化 metadata 是什么？ worker 执行脚本启动时需要知道的数据，eg. 脚本名称、worker 数据、 PMC 的 port2 以及一些其他信息。
根据我们的例子来说，初始化 metadata 就是类似如下的一条信息：
嗨，Worker 执行脚本，使用 worker data {num: 5} 来运行 worker-simple.js。并将 PMC 的 port2 传递给它，以便它能从 PMC 读取或写入消息。

下面这个代码片段展示了初始化 metadata 是如何被写入到 IMC 的。

const kPublicPort = Symbol('kPublicPort');
// ...redacted...

const {
      port1, port2 } = new MessageChannel();
this[kPublicPort] = port1;
this[kPublicPort].on('message', (message) => this.emit('message', message));
// ...redacted...

this[kPort].postMessage({
     
  type: 'loadScript',
  filename,
  doEval: !!options.eval,
  cwdCounter: cwdCounter || workerIo.sharedCwdCounter,
  workerData: options.workerData,
  publicPort: port2,
  // ...redacted...
  hasStdin: !!options.stdin
}, [port2]);

在上面的片段中，this[kPort] 就是 IMC 的 end port。尽管此时已经向 IMC 写数据了，但是 worker 执行脚本还是无法获取这些数据，因为它还没有被启动呢。

运行阶段

此时，初始化阶段完成。然后，就会调用 C++ 来启动这个 worker 线程。

1. 一个新的 v8 isolate 被创建并分配给这个 worker。这使得该 worker 可以拥有自己的运行时环境
2. libuv 被初始化。这使得该 worker 可以拥有自己的 event loop
3. Worker 初始化脚本被执行，启动 worker 的 event loop
4. Worker 初始化脚本 调用 C++ 模块从 IMC 读取初始化 metadata
5. Worker 执行脚本在 worker 中运行代码文件或代码片段。在我们的例子中就是 worker-simple.js

下面这个代码片段展示了 worker 是如何执行脚本的。

const publicWorker = require('worker_threads');

// ...redacted...

port.on('message', (message) => {
     
  if (message.type === 'loadScript') {
     
    const {
     
      cwdCounter,
      filename,
      doEval,
      workerData,
      publicPort,
      manifestSrc,
      manifestURL,
      hasStdin
    } = message;

    // ...redacted...
    initializeCJSLoader();
    initializeESMLoader();
    
    publicWorker.parentPort = publicPort;
    publicWorker.workerData = workerData;

    // ...redacted...
    
    port.unref();
    port.postMessage({
      type: UP_AND_RUNNING });
    if (doEval) {
     
      const {
      evalScript } = require('internal/process/execution');
      evalScript('[worker eval]', filename);
    } else {
     
      process.argv[1] = filename; // script filename
      require('module').runMain();
    }
  }
  // ...redacted...

发现了什么吗？

在上面的代码片段中，你是否有发现 workerData 和 parentPort 属性是在 require('worker_threads') 中被 worker 执行脚本设置的？

这就是为什么 workerData 和 parentPort 属性只能在 child worker thread 的代码而不是 parent worker thread 的代码中被访问了。假如你尝试在 parent worker 的代码中获取这些属性，你只能得到 null。

更好的使用 worker threads

现在我们了解了 Node.js Worker Threads 是怎么工作的了。了解他们的原来能让我们更好的使用 worker threads 来获取最佳的性能。当编写复杂的应用的时候（比 worker-simple.js 复杂的多），我们需要牢记下面两个点

• 尽管 worker threads 比实际的进程更加轻量级，但是大量频繁的创建使用它也是很昂贵的
• 使用 worker threads 来并行的执行 I/O 操作时不划算的，请直接使用 Node.js 自身的 I/O 操作，那会更高效

为了克服上述的第一个问题吗，我们需要实现 “Worker 线程池”。

Worker 线程池

通过使用线程池技术，使得当新任务来临时，我们可以通过 parent-child 信道将 其传递给一个可用的 worker 来执行它，一旦这个 worker 完成了该 task，其可以用过同样的信道来将其执行结果传递过来。一旦正确的实现线程池，那么其将显著的提升应用性能。因为它能够减少额外的创建 threads 消耗。同样值得一提的是，创建大量线程并不一定就是特别高效了，因为其还受制于硬件的资源。

下图是三种情况的一个性能比较，其实现了相同的功能：接受一个 string 然后给他加密并返回。三种不同的服务如下：

• 没使用多线程的服务（no multi-threading）
• 使用了多线程但没有使用线程池的服务（multi-threading（no thread pool））
• 使用了多线程和线程池的服务（multi-threading（with thread pool））

然而，Node.js 官方目前并没有提供线程池的使用。所以你需要依赖第三方的实现或者自己实现一个。这是我自己实现的一个 worker pool 。它还不能被用于生产环境