Node.js 多线程——worker_threads

Node.js 是如何工作的

Node.js 使用两种线程：event loop 处理的主线程和 worker pool 中的几个辅助线程。

事件循环是一种机制，它采用回调（函数）并注册它们，准备在将来的某个时刻执行。它与相关的 JavaScript 代码在同一个线程中运行。当 JavaScript 操作阻塞线程时，事件循环也会被阻止。

工作池是一种执行模型，它产生并处理单独的线程，然后同步执行任务，并将结果返回到事件循环。事件循环使用返回的结果执行提供的回调。

简而言之，它负责异步 I/O操作 —— 主要是与系统磁盘和网络的交互。它主要由诸如 fs（I/O 密集）或 crypto（CPU 密集）等模块使用。工作池用 libuv 实现，当 Node 需要在 JavaScript 和 C++ 之间进行内部通信时，会导致轻微的延迟，但这几乎不可察觉。

基于这两种机制，我们可以编写如下代码：

fs.readFile(path.join(__dirname, './package.json'), (err, content) => {
 if (err) {
   return null;
 }

 console.log(content.toString());
});

前面提到的 fs 模块告诉工作池使用其中一个线程来读取文件的内容，并在完成后通知事件循环。然后事件循环获取提供的回调函数，并用文件的内容执行它。

以上是非阻塞代码的示例，我们不必同步等待某事的发生。只需告诉工作池去读取文件，并用结果去调用提供的函数即可。由于工作池有自己的线程，因此事件循环可以在读取文件时继续正常执行。

在不需要同步执行某些复杂操作时，这一切都相安无事：任何运行时间太长的函数都会阻塞线程。如果应用程序中有大量这类功能，就可能会明显降低服务器的吞吐量，甚至完全冻结它。在这种情况下，无法继续将工作委派给工作池。

在需要对数据进行复杂的计算时（如AI、机器学习或大数据）无法真正有效地使用 Node.js，因为操作阻塞了主（且唯一）线程，使服务器无响应。在 Node.js v10.5.0 发布之前就是这种情况，在这一版本增加了对多线程的支持。

worker_threads

worker_threads 模块允许我们创建功能齐全的多线程 Node.js 程序。

thread worker 是在单独的线程中生成的一段代码（通常从文件中取出）。

注意，术语 thread worker，worker 和 thread 经常互换使用，他们都指的是同一件事。

要想使用 thread worker，必须导入 worker_threads 模块。让我们先写一个函数来帮助我们生成这些thread worker，然后再讨论它们的属性。

type WorkerCallback = (err: any, result?: any) => any;

export function runWorker(path: string, cb: WorkerCallback, workerData: object | null = null) {
 const worker = new Worker(path, { workerData });

 worker.on('message', cb.bind(null, null));
 worker.on('error', cb);

 worker.on('exit', (exitCode) => {
   if (exitCode === 0) {
     return null;
   }

   return cb(new Error(`Worker has stopped with code ${exitCode}`));
 });

 return worker;
}

要创建一个 worker，首先必须创建一个 Worker 类的实例。它的第一个参数提供了包含 worker 的代码的文件的路径；第二个参数提供了一个名为 workerData 的包含一个属性的对象。这是我们希望线程在开始运行时可以访问的数据。

请注意：不管你是用的是 JavaScript，还是最终要转换为 JavaScript 的语言（例如，TypeScript），路径应该始终引用带有 .js 或 .mjs 扩展名的文件。

我还想指出为什么使用回调方法，而不是返回在触发 message 事件时将解决的 promise。这是因为 worker 可以发送许多 message 事件，而不是一个。

正如你在上面的例子中所看到的，线程间的通信是基于事件的，这意味着我们设置了 worker 在发送给定事件后调用的侦听器。

以下是最常见的事件：

worker.on('error', (error) => {});

只要 worker 中有未捕获的异常，就会发出 error 事件。然后终止 worker，错误可以作为提供的回调中的第一个参数。

worker.on('exit', (exitCode) => {});

在 worker 退出时会发出 exit 事件。如果在worker中调用了 process.exit()，那么 exitCode 将被提供给回调。如果 worker 以 worker.terminate() 终止，则代码为1。

worker.on('online', () => {});

只要 worker 停止解析 JavaScript 代码并开始执行，就会发出 online 事件。它不常用，但在特定情况下可以提供信息。

worker.on('message', (data) => {});

只要 worker 将数据发送到父线程，就会发出 message 事件。

现在让我们来看看如何在线程之间共享数据。

在线程之间交换数据

要将数据发送到另一个线程，可以用 port.postMessage() 方法。它的原型如下：

port.postMessage(data[, transferList])

port 对象可以是 parentPort，也可以是 MessagePort 的实例 —— 稍后会详细讲解。

数据参数

第一个参数 —— 这里被称为 data —— 是一个被复制到另一个线程的对象。它可以是复制算法所支持的任何内容。

数据由结构化克隆算法进行复制（包含function的对象引用都会报错DataCloneError:xxxx could not be cloned）。引用自 Mozilla：

它通过递归输入对象来进行克隆，同时保持之前访问过的引用的映射，以避免无限遍历循环。

该算法不复制函数、错误、属性描述符或原型链。还需要注意的是，以这种方式复制对象与使用 JSON 不同，因为它可以包含循环引用和类型化数组，而 JSON 不能。

由于能够复制类型化数组，该算法可以在线程之间共享内存。

实例：

1、代码

server.js

const express = require('express');
const ws = require('ws');
const convertMessage = require('./worker');//引入worker中的方法

const app = express()
const wsServer = new ws.Server({ noServer: true });
wsServer.on('connection', (socket, req) => {
    socket.on('message', message => {
        console.log(message);
    });
});
const port = 3002
app.get('/test', (req, res) => {
    //1.接收到test请求,调用convertMessage，发起子线程
    convertMessage().then(() => {
        //5.converMessage resove后向客户端发送success
        res.send('success')
    })
})
app.get('/', async (req, res) => {
    res.send('Hello World!')
})
//启动服务
const server = app.listen(port, () => {
    console.log(`Example app listening at http://localhost:${port}`)
})
server.on('upgrade', (request, socket, head) => {
    wsServer.handleUpgrade(request, socket, head, socket => {
        wsServer.emit('connection', socket, request);
    });
});

worker.js

const { Worker, workerData } = require('worker_threads')

module.exports = function convertMessage() {
    return new Promise((resolve, reject) => {
        //2.子线程中执行./index.js文件
        const worker = new Worker('./index.js');
        worker.on('message', (message) => {
            //4.接收到子线程通过postMessage传回的message
            console.log(message)
            resolve()
        });
        worker.on('error', reject);
        worker.on('exit', (code) => {
            //子线程执行完成后触发exit事件
            if (code !== 0) {
                reject(new Error(`Worker stopped with exit code ${code}`));
            }
        })
    })
}

index.js

const { parentPort, workerData } = require('worker_threads')

for (let i = 0; i < 100; i++) {    
    //3.通过主线程的parentPort，向主线程发送消息
    parentPort.postMessage(`index.js执行中${i}`)
}