node进程间通信

作为一名合格的程序猿/媛，对于进程、线程还是有必要了解一点的，本文将从下面几个方向进行梳理，尽量做到知其然并知其所以然：

• 进程和线程的概念和关系


• 进程演进


• 进程间通信


• 理解底层基础，助力上层应用


• 进程保护

进程和线程的概念和关系

用户下达运行程序的命令后，就会产生进程。同一程序可产生多个进程（一对多关系），以允许同时有多位用户运行同一程序，却不会相冲突。

进程需要一些资源才能完成工作，如CPU使用时间、存储器、文件以及I/O设备，且为依序逐一进行，也就是每个CPU核心任何时间内仅能运行一项进程。

进程与线程的区别：进程是计算机管理运行程序的一种方式，一个进程下可包含一个或者多个线程。线程可以理解为子进程。

摘自wiki百科

也就是说，进程是我们运行的程序代码和占用的资源总和，线程是进程的最小执行单位，当然也支持并发。可以说是把问题细化，分成一个个更小的问题，进而得以解决。

并且进程内的线程是共享进程资源的，处于同一地址空间，所以切换和通信相对成本小，而进程可以理解为没有公共的包裹容器。

但是如果进程间需要通信的话，也需要一个公共环境或者一个媒介，这个就是操作系统。

进程演进

我们的计算机有单核的、多核的，也有多种的组合方式：

1. 单进程

因为是一个进程，所以某一时刻只能处理一个事务，后续需要等待，体验不好

2. 多进程

为了解决上面的问题，但是如果有很多请求的话，会产生很多进程，开销本身就是一个不小的问题，而进程占据独立的内存，这么多响应是的进程难免会有重复的状态和数据，会造成资源浪费。

3. 多进程多线程

由之前的进程处理事务，改成使用线程处理事务，解决了开销大，资源浪费的问题，还可以使用线程池，预先创建就绪线程，减少创建和销毁线程的开销。

但是一个cpu某一时刻只能处理一个事务。像时间分片来调度线程的话，会导致线程切换频繁，是非常耗时的。

4. 单进程单线程

类似也就是v8，基于事件驱动，有效的避免了内存开销和上下文切换，只需要线程间通信，即可在适当的时刻进行事务结果等的反馈。

但是遇到计算量很大的事务，会阻塞后续任务的执行。像这样：

5. 单进程单线程(多进程架构)

node提供了cluster和child_process两个模块进行进程的创建，也就是我们常说的主(Master)从(Worker)模式。Master负责任务调度和管理Worker进程，Worker进行事务处理。

进程间通信

node本身提供了cluster和child_process模块创建子进程，本质上cluster.fork()是child_process.fork()的上层实现，cluster带来的好处是可以监听共享端口，否则建议使用child_process。

child_process

child_process提供了异步和同步的操作方法，具体可查看文档。

常见的异步方法有：

1. .exec


2. .execFile


3. .fork


4. .spawn

除了fork出来的进程会长期驻存外，其他方式会在子进程任务完成后以流的方式返回并销毁进程。

异步方法会返回ChildProcess的实例，ChildProcess不能直接创建，只能返回。

来看几张图吧：

举个例子

有一个很长很长的循环，如果不开启子进程，会等循环之后才能执行之后的逻辑。

我们可以将耗时的循环放到子进程中，主进程会接受子进程的返回，不影响后续事物的处理。

// 主进程
const execFile = require('child_process').execFile;

execFile('./child.js', [], (err, stdout, stderr) => {
    if (err) {
        console.log(err);
        return;
    }
    console.log(`stdout: ${stdout}`);
});
console.log('用户事务处理');

// 子进程
#!/usr/bin/env node

for (let i = 0; i < 10000; i++) {
    process.stdout.write(`${i}`);
}

而对于fork，它是专门用来生产子进程的，也可以说是主进程的拷贝，返回的ChildProcess中会内置额外的通信通道，也就是IPC通道，允许消息在父子进程间传递，例如通过文件描述符，不过由于创建的是匿名通道，所以只有主进程可以与之通信，其他进程无法进行通信。但相对的还有命名通道，详见下一节。

看一个简单的例子:

//parent.js
const cp = require('child_process');
const n = cp.fork(`${__dirname}/sub.js`);
n.on('message', (m) => {
    console.log('PARENT got message:', m);
});
n.send({ hello: 'world' });

//sub.js
process.on('message', (m) => {
    console.log('CHILD got message:', m);
});
process.send({ foo: 'bar' });

父进程通过fork返回的ChildProcess进行通信的监听和发送，子进程通过全局变量process进行监听和发送。

cluster

cluster本质上也是通过child_process.fork创建子进程，他还能帮我们合理的管理进程。

const cluster = require('cluster');
// 判断是否为主进程
if (cluster.isMaster) {
    const cpuNum = require('os').cpus().length;
    for (let i = 0; i < cpuNum; ++i) {
        cluster.fork();
    }

    cluster.on('online', (worker) => {
        console.log('Create worker-' + worker.process.pid);
    });

    cluster.on('exit', (worker, code, signal) => {
        console.log(
            '[Master] worker ' +
                worker.process.pid +
                ' died with code:' +
                code +
                ', and' +
                signal
        );
        cluster.fork(); // 重启子进程
    });
} else {
    const net = require('net');
    net.createServer()
        .on('connection', (socket) => {
            setTimeout(() => {
                socket.end('Request handled by worker-' + process.pid);
            }, 10);
        })
        .listen(8989);
}

细心地你可能发现多个子进程监听了同一个端口，这样不会EADDRIUNS吗？

其实不然，真正监听端口的是主进程，当前端请求到达时，会将句柄发送给某个子进程。

理解底层基础，助力上层应用

进程间通信(IPC)大概有这几种：

• 匿名管道


• 命名管道


• 信号量


• 消息队列


• 信号


• 共享内存


• 套接字

从技术上划分又可以划分成以下四种：

1. 消息传递(管道，FIFO，消息队列)


2. 同步(互斥量，条件变量，读写锁等)


3. 共享内存(匿名的，命名的)


4. 远程过程调用

文件描述符是什么？

在linux中一切皆文件，linux会给每个文件分配一个id，这个id就是文件描述符，指针也是文件描述符的一种。这个很好理解，不过我们可以再往深了说，一个进程启动后，会在内核空间(虚拟空间的一部分)创建一个PCB控制块，PCB内部有一个文件描述符表，记录着当前进程所有可用的文件描述符（即当前进程所有打开的文件）。系统出了维护文件描述符表外，还需要维护打开文件表(Open file table)和i-node表(i-node table)。

文件打开表(Open file table)包含文件偏移量，状态标志，i-node表指针等信息

i-node表(i-node table)包括文件类型，文件大小，时间戳，文件锁等信息

文件描述符不是一对一的，它可以：

1. 同一进程的不同文件描述符指向同一文件


2. 不同进程可以拥有相同的文件描述符(比如fork出的子进程拥有和父进程一样的文件描述符，或者不同进程打开同一文件)


3. 不同进程的同一文件描述符也可以指向不同的文件


4. 不同进程的不同文件描述符也可以指向同一个文件

上面提及了很多可以实现进程间通信的方式，那node进程间通信是以什么为基础的呢？

nodeIPC通过管道技术 加 事件循环方式进行通信，管道技术在windows下由命名管道实现，在*nix系统则由Unix Domain socket实现，提供给我们的是简单的message事件和send方法。

那管道是什么呢？

管道实际上是在内核中开辟一块缓冲区，它有一个读端一个写端，并传给用户程序两个文件描述符，一个指向读端，一个指向写端口，然后该缓存区存储不同进程间写入的内容，并供不同进程读取内容，进而达到通信的目的。

管道又分为匿名管道和命名管道，匿名管道常见于一个进程fork出子进程，只能亲缘进程通信，而命名管道可以让非亲缘进程进行通信。

其实本质上来说进程间通信是利用内核管理一块内存，不同进程可以读写这块内容，进而可以互相通信，当然，说起来简单，做起来难。有兴趣的朋友可以自行研究。

进程保护

可以用cluster建立主从进程架构，主进程调度管理和分发任务给子进程，并在子进程挂掉或断开连接后重启。

pm2是对cluster的一种封装，提供了：

• 内奸负载均衡


• 后台运行


• 停机重载


• 具有Ubuntu、CentOS的启动脚本


• 停止不稳定的进程


• 控制台检测


• 有好的可视化界面

具体原理和细节以后有空再做分析。

文中若有错误的地方，欢迎指出，我会及时更新。希望读者借鉴的阅读。

部分图片来源网络，侵权立删

参考链接

进程、线程、协程

文件描述符

IPC

IPC2