Node.js 是一個(gè)免費(fèi)的跨平臺(tái) JavaScript 運(yùn)行時(shí)環(huán)境，盡管它本質(zhì)上是單線程的，但是可以在后臺(tái)使用多個(gè)線程來(lái)執(zhí)行異步代碼。

由于 Node.js 的非阻塞性質(zhì)，不同的線程執(zhí)行不同的回調(diào)，這些回調(diào)首先委托給事件循環(huán)。Node.js 運(yùn)行時(shí)負(fù)責(zé)處理所有這一切。

為什么要用 NodeJS?

JavaScript 最初是作為一種單線程編程語(yǔ)言構(gòu)建的，僅在 Web 瀏覽器中運(yùn)行。這意味著在一個(gè)過程中，只有一組指令能夠在給定的時(shí)間執(zhí)行。

僅在當(dāng)前代碼塊的執(zhí)行完成后，才移至下一個(gè)代碼塊。但是，JavaScript 的單線程性質(zhì)使實(shí)現(xiàn)變得容易。

最初 JavaScript 僅用于向網(wǎng)站添加少量交互。所以并沒有對(duì)多線程的需求。但是時(shí)代已經(jīng)變了，用戶要求也越來(lái)越高，JavaScript 已成為 Web 上流行的編程語(yǔ)言。

多線程現(xiàn)在變得很普遍。由于 JavaScript 是單線程語(yǔ)言，因此無(wú)法在其中實(shí)現(xiàn)多線程。幸運(yùn)的是，在這種情況下，有一個(gè)很好的解決方法：Node.js。

Node.js 框架并不少，這要?dú)w功于 JavaScript 運(yùn)行時(shí)環(huán)境(尤其是 JavaScript)的普遍流行。在繼續(xù)本文之前，讓我們了解一些有關(guān) Node.js 的重要觀點(diǎn)：

• 可以用 send 函數(shù)將消息從子進(jìn)程傳遞到其他子進(jìn)程和主進(jìn)程
• 支持 fork 多個(gè)進(jìn)程
• 主進(jìn)程和子進(jìn)程之間不共享狀態(tài)

為什么要 fork 進(jìn)程?

在兩種情況下，我們需要 fork 一個(gè)流程：

• 通過將任務(wù)委派給其他進(jìn)程來(lái)提高速度
• 用于釋放內(nèi)存和卸載單個(gè)進(jìn)程

可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到子進(jìn)程，也可以將其送回。

Node.js 的方式

Node.js 使用兩種類型的線程：

• 通過事件循環(huán)處理主線程，
• 工作池中有許多輔助線程

事件循環(huán)負(fù)責(zé)獲取回調(diào)或函數(shù)，并將其注冊(cè)以供將來(lái)執(zhí)行。它與正確的 JavaScript 代碼在同一線程中運(yùn)行。一旦 JavaScript 操作阻塞了線程，事件循環(huán)也會(huì)被阻塞。

工作池是一個(gè)執(zhí)行模型，負(fù)責(zé)產(chǎn)生和處理不同的線程。它同步執(zhí)行任務(wù)，然后將結(jié)果返回到事件循環(huán)，最后事件循環(huán)將結(jié)果提供給回調(diào)。

總而言之，工作池負(fù)責(zé)異步 I/O 操作，即與系統(tǒng)磁盤和網(wǎng)絡(luò)的交互。像 fs 和 crypto 這樣的模塊是使用工作池的主要模塊。

由于工作池是在 libuv 庫(kù)中實(shí)現(xiàn)的，Node.js 在 JS 和 C++ 之間進(jìn)行內(nèi)部通信時(shí)會(huì)稍有延遲。不過這幾乎是不可察覺的。

一切都很好，直到我們遇到同步執(zhí)行復(fù)雜操作的要求。任何需要大量時(shí)間執(zhí)行的函數(shù)都會(huì)導(dǎo)致主線程阻塞。

如果程序具有多個(gè)占用大量 CPU 的函數(shù)，將會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器吞吐量的顯著下降。在最壞的情況下，服務(wù)器將會(huì)失去響應(yīng)，并且無(wú)法將任務(wù)委派給工作池。

諸如 AI、大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)之類的領(lǐng)域無(wú)法從 Node.js 中受益，因?yàn)檫@些操作阻塞了主線程，并使服務(wù)器失去響應(yīng)。但是這隨著 Node.js v10.5.0 的到來(lái)而改變，該版本增加了對(duì)多線程的支持。

并發(fā)和 CPU 綁定任務(wù)的挑戰(zhàn)

在 JavaScript 中建立并發(fā)可能很困難。允許多個(gè)線程訪問相同的內(nèi)存會(huì)導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)，這不僅使故障難以重現(xiàn)，而且解決起來(lái)也很困難。

Node.js 最初被實(shí)現(xiàn)為基于異步 I/O 的服務(wù)器端平臺(tái)。通過簡(jiǎn)單地消除線程需求，這使很多事情變得容易。是的，Node.js 程序是單線程的，但不是典型的方式。

我們可以在 Node.js 中并行運(yùn)行，但是不需要?jiǎng)?chuàng)建線程。操作系統(tǒng)和虛擬機(jī)共同并行使用 I/O，然后在需要將數(shù)據(jù)發(fā)送回 JavaScript 代碼時(shí)，JS 代碼在單個(gè)線程中運(yùn)行。

除 JS 代碼外，所有內(nèi)容均在 Node.js 中并行運(yùn)行。與異步塊不同，JS 的同步塊總是一次執(zhí)行一次。與代碼執(zhí)行相比，等待 JS 中產(chǎn)生 I/O 事件所話費(fèi)的時(shí)間要多得多。

Node.js 程序僅調(diào)用所需的函數(shù)或回調(diào)，而不會(huì)阻止其他代碼的執(zhí)行。最初 JavaScript 和 Node.js 都不打算處理 CPU 密集型或 CPU 綁定的任務(wù)。

當(dāng)代碼最少時(shí)，執(zhí)行將會(huì)是敏捷的。但是計(jì)算量越大，執(zhí)行速度就越慢。

如果你仍然嘗試在 JS 和 Node 中完成 CPU 密集型任務(wù)，那么將會(huì)使瀏覽器中的 UI 凍結(jié)并對(duì)所有 I/O 事件進(jìn)行排隊(duì)處理。盡管如此，我們已經(jīng)走了很遠(yuǎn)?，F(xiàn)在有了 worker_threads 模塊。

worker_threads 模塊使多線程變得簡(jiǎn)單

Node.js v10.5.0 于 2018 年 6 月發(fā)布，引入了 worker_threads 模塊。它有助于在流行的 JavaScript 運(yùn)行時(shí)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)并發(fā)。該模塊允許創(chuàng)建功能齊全的多線程 Node.js 應(yīng)用。

從技術(shù)上講，工作線程是在單獨(dú)的線程中產(chǎn)生的一些代碼。要開始使用輔助線程，需要先導(dǎo)入 worker_threads 模塊。之后需要?jiǎng)?chuàng)建 Worker 類的實(shí)例以創(chuàng)建工作線程。

創(chuàng)建 Worker 類的實(shí)例時(shí)，有兩個(gè)參數(shù)：

• 第一個(gè)參數(shù)提供擴(kuò)展名 .js 或 .mjs 的文件路徑，其中包含工作程序線程的代碼，
• 第二個(gè)參數(shù)提供了一個(gè)包含 workerData 屬性的對(duì)象，該屬性包含工作線程開始執(zhí)行時(shí)將訪問的數(shù)據(jù)

輔助線程能夠調(diào)度多個(gè)消息事件。因此，回調(diào)方法優(yōu)先于返回 promise。

工作線程之間的通信是基于事件的，即偵聽器設(shè)置為在工作線程發(fā)送事件后立即調(diào)用。最常見的 4 個(gè)事件是：

worker.on('error', (error) => {}); 

(1) 當(dāng)工作線程中有未捕獲的異常時(shí)發(fā)出。接下來(lái)工作線程終止，并且該錯(cuò)誤可以作為回調(diào)中的第一個(gè)參數(shù)使用。

worker.on('exit', (exitCode) => {}) 

(2) 當(dāng)輔助線程退出時(shí)發(fā)出。如果在工作線程中調(diào)用了 process.exit()，則會(huì)將 exitCode 提供給回調(diào)。如果 worker.terminate() 終止工作線程，則代碼為 1。

worker.on('message', (data) => {}); 

(3) 當(dāng)工作線程將數(shù)據(jù)發(fā)送到父線程時(shí)發(fā)出。

worker.on('online', () => {}); 

(4) 當(dāng)工作線程停止解析 JS 代碼并開始執(zhí)行時(shí)發(fā)出。盡管不常用，但 online 事件在特定情況下可能會(huì)提供更多信息。

使用工作線程的方式

有兩種使用工作線程的方法：

• 方法 1 – 涉及產(chǎn)生工作線程，執(zhí)行其代碼并將結(jié)果發(fā)送到父線程。此方法需要每次為新任務(wù)從頭創(chuàng)建新的 worker 線程。
• 方法 2 – 涉及生成 worker 線程并為消息事件設(shè)置偵聽器。每次觸發(fā)該消息時(shí)，輔助線程都會(huì)執(zhí)行代碼，并將結(jié)果發(fā)送回父線程。輔助線程保持活動(dòng)狀態(tài)，以備將來(lái)使用。

方法 2 也被稱為工作池。這是因?yàn)樵摲椒ㄉ婕皠?chuàng)建 worker 的工作池，先讓他們等待，并在需要時(shí)去調(diào)度消息事件來(lái)執(zhí)行任務(wù)。

由于從頭創(chuàng)建工作線程需要?jiǎng)?chuàng)建虛擬機(jī)以及解析和執(zhí)行代碼，因此官方 Node.js 文檔 建議采用方法 2。此外，方法 2 更為實(shí)用，比方法 1 更有效。

(1) worker_threads 模塊中可用的重要屬性

• isMainThread – 當(dāng)不在工作線程內(nèi)操作時(shí)，此屬性為 true。如果需要，則可以在 worker 文件的開頭包含一個(gè)簡(jiǎn)單的 if 語(yǔ)句。這樣可以確保它僅作為工作線程運(yùn)行。
• parentPort – MessagePort 的實(shí)例，用于與父線程進(jìn)行通信。
• threadId – 分配給工作線程的唯一標(biāo)識(shí)符。
• workerData – 包含在 worker 線程的構(gòu)造函數(shù)中的數(shù)據(jù)。

(2) Node.js 中的多進(jìn)程

為了使 Node.js 利用多核系統(tǒng)的功能，可以用一些進(jìn)程。流行的 javascript 運(yùn)行時(shí)環(huán)境中有稱被為 cluster 的模塊，該模塊提供對(duì)多進(jìn)程的支持。

使用 cluster 模塊可以產(chǎn)生多個(gè)子進(jìn)程，這些子進(jìn)程可以共享一個(gè)公共端口。當(dāng)子進(jìn)程投入使用時(shí)，使用 NodeJS 的系統(tǒng)可以處理更大的工作量。

(3) 后端的 Node.js

互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為全球數(shù)以百萬(wàn)計(jì)公司的首選平臺(tái)。因此，為使一家企業(yè)發(fā)揮最大潛力，并在此過程中脫穎而出，必須擁有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)形象。

這一切都始于一個(gè)強(qiáng)大而直觀的網(wǎng)站。要打造一個(gè)完美無(wú)瑕的網(wǎng)站，重要的是選擇最佳的前端和后端技術(shù)。盡管本質(zhì)上是單線程的，但 Node.js 是開發(fā)后端 Web 服務(wù)的首選。

盡管有大量的后端多線程選擇，但知名公司還是喜歡 Node.js。這是因?yàn)?Node.js 提供了在 JavaScript 中使用多線程的變通方法，而 JavaScript 已經(jīng)是“Web上最流行的編程語(yǔ)言”。

總結(jié)

worker_threads 模塊提供了一種在 Node.js 程序中實(shí)現(xiàn)多線程的簡(jiǎn)便方法。通過將繁重的計(jì)算委派給工作線程，可以顯著提高服務(wù)器的吞吐量。

借助對(duì)多線程的支持，Node.js 將繼續(xù)吸引越來(lái)越多的來(lái)自 AI、大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)等計(jì)算密集型領(lǐng)域的開發(fā)人員、工程師和其他專業(yè)人員。