Node.js 工作线程与子进程：应该使用哪一个

Node.js 工作线程与子进程：应该使用哪一个

并行处理在计算密集型应用程序中起着至关重要的作用。例如，考虑一个确定给定数字是否为素数的应用程序。如果我们熟悉素数，我们就会知道必须从 1 遍历到该数的平方根才能确定它是否是素数，而这通常非常耗时且计算量极大。

因此，如果我们在 Node.js 上构建此类计算量大的应用程序，我们可能会阻塞正在运行的线程很长时间。由于 Node.js 的单线程特性，不涉及 I/O 的计算密集型操作将导致应用程序停止，直到该任务完成。

因此，在构建需要执行此类任务的软件时，我们不会使用 Node.js。但是，Node.js 引入了工作线程 和子进程的概念 来帮助在 Node.js 应用程序中进行并行处理，以便我们可以并行执行特定进程。在本文中，我们将了解这两个概念并讨论何时使用它们。

Node.js 中的工作线程是什么

Node.js 能够有效地处理 I/O 操作。然而，当它遇到任何计算量大的操作时，它会导致主事件循环冻结。

当 Node.js 发现异步操作时，它将其“离岸”到线程池。但是，当它需要运行计算量大的操作时，它会在其主线程上执行该操作，这会导致应用程序阻塞，直到操作完成。因此，为了缓解这个问题，Node.js 引入了工作线程的概念，以帮助从主事件循环中卸载 CPU 密集型操作，以便开发人员可以以非阻塞方式并行生成多个线程。

它通过启动一个隔离的 Node.js 上下文来实现此目的，该上下文包含自己的 Node.js 运行时、事件循环和事件队列，该上下文在远程 V8 环境中运行。这在与主事件循环断开连接的环境中执行，从而允许主事件循环释放。

如上所示，Node.js 创建独立的运行时作为工作线程，其中每个线程独立于其他线程执行，并通过消息通道将其进程状态传达给父线程。这允许父线程继续照常执行其功能（不会被阻塞）。通过这样做，我们可以在 Node.js 中实现多线程。

在 Node.js 中使用工作线程有什么好处

正如我们所看到的，使用工作线程对于 CPU 密集型应用程序非常有益。事实上，它有几个优点：

• 性能改进：我们可以将计算繁重的操作转移到工作线程，这可以释放主线程，从而使我们的应用程序能够响应更多请求。
• 提高并行性：如果我们有一个大型进程，希望将其分成子任务并并行执行，则可以使用工作线程来执行此操作。例如，如果我们要确定 1,999,3241,123 是否为质数，则可以使用工作线程检查范围内的除数 -（WT1 中为 1 到 100,000，WT2 中为 100,001 到 200,000，等等）。这将加快我们的算法并导致更快的响应。

什么时候应该在 Node.js 中使用工作线程

如果我们考虑一下，我们应该只使用工作线程来运行与父线程隔离的计算密集型操作。

在工作线程中运行 I/O 操作是没有意义的，因为它们已经被转移到事件循环中。因此，当我们需要在隔离环境中执行计算量大的操作时，请考虑使用工作线程。

如何在 Node.js 中构建工作线程

如果所有这些听起来对我们很有吸引力，那么让我们看看如何在 Node.js 中实现工作线程。考虑下面的代码片段：

const {
  Worker,
  isMainThread,
  parentPort,
  workerData,
} = require("worker_threads");

const { generatePrimes } = require("./prime");

const threads = new Set();
const number = 999999;

const breakIntoParts = (number, threadCount = 1) => {
  const parts = [];
  const chunkSize = Math.ceil(number / threadCount);

  for (let i = 0; i < number; i += chunkSize) {
    const end = Math.min(i + chunkSize, number);
    parts.push({ start: i, end });
  }

  return parts;
};

if (isMainThread) {
  const parts = breakIntoParts(number, 5);
  parts.forEach((part) => {
    threads.add(
      new Worker(__filename, {
        workerData: {
          start: part.start,
          end: part.end,
        },
      })
    );
  });

  threads.forEach((thread) => {
    thread.on("error", (err) => {
      throw err;
    });
    thread.on("exit", () => {
      threads.delete(thread);
      console.log(`Thread exiting, ${threads.size} running...`);
    });
    thread.on("message", (msg) => {
      console.log(msg);
    });
  });
} else {
  const primes = generatePrimes(workerData.start, workerData.end);
  parentPort.postMessage(
    `Primes from - ${workerData.start} to ${workerData.end}: ${primes}`
  );
}

上面的代码片段展示了一个可以利用工作线程的理想场景。要构建工作线程，我们需要从库中导入Worker、IsMainThread、parentPort和 workerDataworker_threads 。这些定义将用于创建工作线程。

上面的代码创建了一种算法，可以查找给定范围内的所有素数。它将主线程中的范围分成不同的部分（上面示例中的五个部分），然后使用 new Worker() 来创建一个工作线程来处理每个部分。工作线程执行 else块，该块在分配给该工作线程的范围内查找素数，并最终使用 parentPort.postMessage() 将结果发送回父（主）线程。

Node.js 中的子进程是什么

子进程与工作线程不同。虽然工作线程在同一进程中提供隔离的事件循环和 V8 运行时，但子进程是整个 Node.js 运行时的单独实例。每个子进程都有自己的内存空间，并通过消息流或管道（或文件、数据库、TCP/UDP 等）等 IPC（进程间通信）技术与主进程进行通信。

在 Node.js 中使用子进程有什么好处

在 Node.js 应用程序中使用子进程会带来很多好处：

• 改进的隔离性：每个子进程都在自己的内存空间中运行，提供与主进程的隔离。这对于可能存在资源冲突或需要分离的依赖性的任务是有利的。
• 提高可扩展性：子进程在多个进程之间分配任务，这使我们可以利用多核系统并处理更多并发请求。
• 提高鲁棒性：如果子进程由于某种原因崩溃，它不会随之崩溃我们的主进程。
• 运行外部程序：子进程允许我们将外部程序或脚本作为单独的进程运行。这对于需要与其他可执行文件交互的场景非常有用。

什么时候应该在 Node.js 中使用子进程

所以，现在我们知道子进程给图片带来的好处了。了解何时应该在 Node.js 中使用子进程非常重要。根据我的经验，当我们想在 Node.js 中执行外部程序时，我建议我们使用子进程。

比如存在一种使用场景：我们必须从 Node.js 服务中运行外部可执行文件。不可能在主线程内执行二进制文件。因此，我们必须使用一个子进程来执行二进制文件。

如何在 Node.js 中构建子进程

在 Node.js 中创建子进程的方法有多种，可以使用 spawn() 、fork()、exec() 与 execFile() 等方法。

const { spawn } = require('child_process');
const child = spawn('node', ['child.js']);

child.stdout.on('data', (data) => {
  console.log(`Child process stdout: ${data}`);
});

child.on('close', (code) => {
  console.log(`Child process exited with code ${code}`);
});

我们所要做的就是从child_process模块导入一个 spawn() 方法，然后通过传递 CLI 参数作为参数来调用该方法。

如何在工作线程和子进程之间进行选择

现在我们知道什么是子进程和工作线程，那么了解何时使用这些技术很重要。它们都不是适合所有情况的灵丹妙药。这两种方法都适用于特定条件。

在以下情况下使用工作线程：

• 我们正在运行 CPU 密集型任务。如果我们的任务是 CPU 密集型的，那么工作线程是一个不错的选择。
• 我们的任务需要线程之间的共享内存和高效通信。工作线程具有对共享内存和用于通信的消息系统的内置支持。

在以下情况下使用子进程：

• 我们正在运行需要隔离并独立运行的任务，特别是当它们涉及外部程序或脚本时。每个子进程都在自己的内存空间中运行。
• 我们需要使用 IPC 机制（例如标准输入/输出流、消息传递或事件）在进程之间进行通信。子进程非常适合此目的。

总结

并行处理正在成为现代系统设计的一个重要方面，特别是在构建处理非常大的数据集或计算密集型任务的应用程序时。因此，在使用 Node.js 构建此类应用程序时，考虑工作线程和子进程非常重要。

如果我们的系统没有采用正确的并行处理技术进行正确设计，我们的系统可能会因过度耗尽资源而表现不佳（因为生成这些资源也会消耗大量资源）。

因此，对于软件工程师和架构师来说，清楚地验证需求并根据本文中提供的信息选择正确的工具非常重要。