核心要點(diǎn)

• Node.js憑借其事件驅(qū)動架構(gòu)和非阻塞I/O API，成為處理高流量網(wǎng)站的熱門服務(wù)器端運(yùn)行環(huán)境，允許異步請求處理。
• Node.js的可擴(kuò)展性是其被大型公司采用的關(guān)鍵特性。盡管默認(rèn)情況下在單線程中運(yùn)行并具有內(nèi)存限制，但Node.js可以通過集群模塊將單個進(jìn)程拆分為多個進(jìn)程或工作進(jìn)程來擴(kuò)展應(yīng)用程序。
• Node.js集群模塊通過多次執(zhí)行相同的Node.js進(jìn)程來工作。它允許識別主進(jìn)程并創(chuàng)建工作進(jìn)程，這些工作進(jìn)程可以共享服務(wù)器句柄并與父Node進(jìn)程通信。
• Node.js應(yīng)用程序可以使用集群模塊進(jìn)行并行化，允許多個進(jìn)程同時運(yùn)行。這提高了系統(tǒng)的效率，改善了應(yīng)用程序性能，并增強(qiáng)了可靠性和正常運(yùn)行時間。
• 雖然Node.js集群模塊主要推薦用于Web服務(wù)器，但在仔細(xì)考慮工作進(jìn)程之間的任務(wù)分配以及工作進(jìn)程和主進(jìn)程之間的有效通信的情況下，也可以將其用于其他應(yīng)用程序。

Node.js作為服務(wù)器端運(yùn)行環(huán)境越來越受歡迎，尤其是在高流量網(wǎng)站方面，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)也證明了這一點(diǎn)。此外，眾多框架的可用性使其成為快速原型設(shè)計(jì)的良好環(huán)境。Node.js具有事件驅(qū)動的架構(gòu)，利用非阻塞I/O API允許異步處理請求。Node.js的一個重要且經(jīng)常被忽視的特性是其可擴(kuò)展性。事實(shí)上，這是某些大型公司在其平臺中集成Node.js（例如Microsoft、Yahoo、Uber和Walmart）甚至將其服務(wù)器端操作完全遷移到Node.js（例如PayPal、eBay和Groupon）的主要原因。每個Node.js進(jìn)程都在單個線程中運(yùn)行，默認(rèn)情況下，32位系統(tǒng)的內(nèi)存限制為512MB，64位系統(tǒng)的內(nèi)存限制為1GB。盡管可以在32位系統(tǒng)上將內(nèi)存限制提高到約1GB，在64位系統(tǒng)上提高到約1.7GB，但內(nèi)存和處理能力仍然可能成為各種進(jìn)程的瓶頸。Node.js為擴(kuò)展應(yīng)用程序提供的優(yōu)雅解決方案是將單個進(jìn)程拆分為多個進(jìn)程或Node.js術(shù)語中的工作進(jìn)程。這可以通過集群模塊實(shí)現(xiàn)。集群模塊允許您創(chuàng)建子進(jìn)程（工作進(jìn)程），這些子進(jìn)程與主Node進(jìn)程（主進(jìn)程）共享所有服務(wù)器端口。在本文中，您將了解如何創(chuàng)建Node.js集群以加快應(yīng)用程序的速度。

Node.js集群模塊：它是做什么的以及如何工作

集群是在父Node進(jìn)程下運(yùn)行的類似工作進(jìn)程的池。工作進(jìn)程使用child_processes模塊的fork()方法生成。這意味著工作進(jìn)程可以共享服務(wù)器句柄并使用IPC（進(jìn)程間通信）與父Node進(jìn)程通信。主進(jìn)程負(fù)責(zé)啟動和控制工作進(jìn)程。您可以在主進(jìn)程中創(chuàng)建任意數(shù)量的工作進(jìn)程。此外，請記住，默認(rèn)情況下，傳入連接在工作進(jìn)程之間以輪詢方式分配（Windows除外）。實(shí)際上，還有另一種分配傳入連接的方法，這里我不會討論，它將分配交給操作系統(tǒng)（Windows中的默認(rèn)設(shè)置）。Node.js文檔建議使用默認(rèn)的輪詢樣式作為調(diào)度策略。盡管從理論上講，使用集群模塊聽起來很復(fù)雜，但其實(shí)現(xiàn)非常簡單。要開始使用它，您必須將其包含在您的Node.js應(yīng)用程序中：

var cluster = require('cluster');

集群模塊多次執(zhí)行相同的Node.js進(jìn)程。因此，您需要做的第一件事是確定哪一部分代碼用于主進(jìn)程，哪一部分代碼用于工作進(jìn)程。集群模塊允許您如下識別主進(jìn)程：

if(cluster.isMaster) { ... }

主進(jìn)程是您啟動的進(jìn)程，它又會初始化工作進(jìn)程。要在主進(jìn)程中啟動工作進(jìn)程，我們將使用fork()方法：

cluster.fork();

此方法返回一個worker對象，其中包含有關(guān)已派生的worker的一些方法和屬性。我們將在下一節(jié)中看到一些示例。集群模塊包含多個事件。與工作進(jìn)程啟動和終止時刻相關(guān)的兩個常見事件是online和exit事件。當(dāng)工作進(jìn)程派生并發(fā)送online消息時，會發(fā)出online事件。當(dāng)工作進(jìn)程死亡時，會發(fā)出exit事件。稍后，我們將了解如何使用這兩個事件來控制工作進(jìn)程的生命周期?，F(xiàn)在，讓我們將到目前為止看到的所有內(nèi)容放在一起，并展示一個完整的可運(yùn)行示例。

示例

本節(jié)包含兩個示例。第一個示例是一個簡單的應(yīng)用程序，顯示如何在Node.js應(yīng)用程序中使用集群模塊。第二個示例是一個利用Node.js集群模塊的Express服務(wù)器，它是我通常在大規(guī)模項(xiàng)目中使用的生產(chǎn)代碼的一部分。這兩個示例都可以從GitHub下載。

如何在Node.js應(yīng)用程序中使用集群模塊

在這個第一個示例中，我們設(shè)置了一個簡單的服務(wù)器，它使用包含處理請求的工作進(jìn)程ID的消息來響應(yīng)所有傳入請求。主進(jìn)程派生四個工作進(jìn)程。在每個工作進(jìn)程中，我們開始監(jiān)聽端口8000以接收傳入請求。實(shí)現(xiàn)我剛才描述的內(nèi)容的代碼如下所示：

var cluster = require('cluster');
var http = require('http');
var numCPUs = 4;

if (cluster.isMaster) {
    for (var i = 0; i < numCPUs; i++) {
        cluster.fork();
    }
} else {
    http.createServer(function(req, res) {
        res.writeHead(200);
        res.end('process ' + process.pid + ' says hello!');
    }).listen(8000);
}

您可以通過啟動服務(wù)器（運(yùn)行命令node simple.js）并訪問URL http://www.miracleart.cn/link/7d2d180c45c41870f36e747816456190。

如何開發(fā)高度可擴(kuò)展的Express服務(wù)器

Express是Node.js最流行的Web應(yīng)用程序框架之一（如果不是最流行的話）。在本網(wǎng)站上，我們已經(jīng)多次介紹過它。如果您有興趣了解更多信息，我建議您閱讀文章《使用Express 4創(chuàng)建RESTful API》和《構(gòu)建Node.js驅(qū)動的聊天室Web應(yīng)用程序：Express和Azure》。第二個示例顯示了如何開發(fā)高度可擴(kuò)展的Express服務(wù)器。它還演示了如何遷移單個進(jìn)程服務(wù)器以利用少量代碼的集群模塊。

var cluster = require('cluster');

此示例的第一個補(bǔ)充是使用Node.js os模塊獲取CPU內(nèi)核的數(shù)量。os模塊包含一個cpus()函數(shù)，它返回一個CPU內(nèi)核數(shù)組。使用這種方法，我們可以根據(jù)服務(wù)器規(guī)格動態(tài)確定要派生的工作進(jìn)程數(shù)量，以最大限度地利用資源。第二個更重要的補(bǔ)充是處理工作進(jìn)程的死亡。當(dāng)工作進(jìn)程死亡時，集群模塊會發(fā)出exit事件?？梢酝ㄟ^偵聽該事件并在發(fā)出該事件時執(zhí)行回調(diào)函數(shù)來處理它。您可以通過編寫類似cluster.on('exit', callback);的語句來做到這一點(diǎn)。在回調(diào)函數(shù)中，我們派生一個新的工作進(jìn)程以保持預(yù)期的工作進(jìn)程數(shù)量。這允許我們保持應(yīng)用程序運(yùn)行，即使有一些未處理的異常。在這個示例中，我還為online事件設(shè)置了一個偵聽器，每當(dāng)派生工作進(jìn)程并準(zhǔn)備好接收傳入請求時，就會發(fā)出該事件。這可用于日志記錄或其他操作。

性能比較

有幾種工具可以對API進(jìn)行基準(zhǔn)測試，但這里我使用Apache Benchmark工具來分析使用集群模塊如何影響應(yīng)用程序的性能。為了設(shè)置測試，我開發(fā)了一個Express服務(wù)器，它有一個路由和一個用于該路由的回調(diào)函數(shù)。在回調(diào)函數(shù)中，執(zhí)行一個虛擬操作，然后返回一條簡短的消息。服務(wù)器有兩個版本：一個沒有工作進(jìn)程，其中所有操作都在主進(jìn)程中發(fā)生，另一個有8個工作進(jìn)程（因?yàn)槲业臋C(jī)器有8個內(nèi)核）。下表顯示了合并集群模塊如何增加每秒處理的請求數(shù)。

(每秒處理的請求數(shù))

高級操作

雖然使用集群模塊相對簡單，但您可以使用工作進(jìn)程執(zhí)行其他操作。例如，您可以使用集群模塊實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的（幾乎?。┝阃C(jī)時間。我們過一會兒將了解如何執(zhí)行其中一些操作。

主進(jìn)程和工作進(jìn)程之間的通信

有時，您可能需要從主進(jìn)程向工作進(jìn)程發(fā)送消息以分配任務(wù)或執(zhí)行其他操作。作為回報(bào)，工作進(jìn)程可能需要通知主進(jìn)程任務(wù)已完成。要偵聽消息，應(yīng)在主進(jìn)程和工作進(jìn)程中都設(shè)置message事件的事件偵聽器：

var cluster = require('cluster');

worker對象是fork()方法返回的引用。要在工作進(jìn)程中偵聽來自主進(jìn)程的消息：

if(cluster.isMaster) { ... }

消息可以是字符串或JSON對象。要向特定工作進(jìn)程發(fā)送消息，您可以編寫如下所示的代碼：

cluster.fork();

類似地，要向主進(jìn)程發(fā)送消息，您可以編寫：

var cluster = require('cluster');
var http = require('http');
var numCPUs = 4;

if (cluster.isMaster) {
    for (var i = 0; i < numCPUs; i++) {
        cluster.fork();
    }
} else {
    http.createServer(function(req, res) {
        res.writeHead(200);
        res.end('process ' + process.pid + ' says hello!');
    }).listen(8000);
}

在Node.js中，消息是通用的，沒有特定類型。因此，最好將消息作為包含有關(guān)消息類型、發(fā)送者和內(nèi)容本身的一些信息的JSON對象發(fā)送。例如：

var cluster = require('cluster');

if(cluster.isMaster) {
    var numWorkers = require('os').cpus().length;

    console.log('Master cluster setting up ' + numWorkers + ' workers...');

    for(var i = 0; i < numWorkers; i++) {
        cluster.fork();
    }

    cluster.on('online', function(worker) {
        console.log('Worker ' + worker.process.pid + ' is online');
    });

    cluster.on('exit', function(worker, code, signal) {
        console.log('Worker ' + worker.process.pid + ' died with code: ' + code + ', and signal: ' + signal);
        console.log('Starting a new worker');
        cluster.fork();
    });
} else {
    var app = require('express')();
    app.all('/*', function(req, res) {res.send('process ' + process.pid + ' says hello!').end();})

    var server = app.listen(8000, function() {
        console.log('Process ' + process.pid + ' is listening to all incoming requests');
    });
}

這里需要注意的一點(diǎn)是，message事件回調(diào)是異步處理的。沒有定義的執(zhí)行順序。您可以在GitHub上找到主進(jìn)程和工作進(jìn)程之間通信的完整示例。

零停機(jī)時間

使用工作進(jìn)程可以實(shí)現(xiàn)的一個重要結(jié)果是（幾乎）零停機(jī)時間服務(wù)器。在主進(jìn)程中，您可以在對應(yīng)用程序進(jìn)行更改后，一次一個地終止和重新啟動工作進(jìn)程。這允許您在加載新版本的同時運(yùn)行舊版本。為了能夠在運(yùn)行時重新啟動應(yīng)用程序，您需要記住兩點(diǎn)。首先，主進(jìn)程一直運(yùn)行，只有工作進(jìn)程被終止和重新啟動。因此，重要的是要使主進(jìn)程保持簡短，并且只負(fù)責(zé)管理工作進(jìn)程。其次，您需要以某種方式通知主進(jìn)程需要重新啟動工作進(jìn)程。有幾種方法可以做到這一點(diǎn)，包括用戶輸入或監(jiān)視文件更改。后者效率更高，但您需要在主進(jìn)程中識別要監(jiān)視的文件。我建議重新啟動工作進(jìn)程的方法是首先嘗試安全地關(guān)閉它們；然后，如果它們沒有安全終止，則強(qiáng)制殺死它們。您可以通過向工作進(jìn)程發(fā)送關(guān)閉消息來執(zhí)行前者，如下所示：

worker.on('message', function(message) {
    console.log(message);
});

并在工作進(jìn)程message事件處理程序中啟動安全關(guān)閉：

process.on('message', function(message) {
    console.log(message);
});

要對所有工作進(jìn)程執(zhí)行此操作，您可以使用集群模塊的workers屬性，該屬性保存對所有正在運(yùn)行的工作進(jìn)程的引用。我們還可以將所有任務(wù)包裝在主進(jìn)程中的一個函數(shù)中，該函數(shù)可以在我們想要重新啟動所有工作進(jìn)程時調(diào)用。

var cluster = require('cluster');

我們可以從集群模塊中的workers對象獲取所有正在運(yùn)行的工作進(jìn)程的ID。此對象保存對所有正在運(yùn)行的工作進(jìn)程的引用，并在終止和重新啟動工作進(jìn)程時動態(tài)更新。首先，我們將所有正在運(yùn)行的工作進(jìn)程的ID存儲在workerIds數(shù)組中。這樣，我們避免重新啟動新派生的工作進(jìn)程。然后，我們請求每個工作進(jìn)程安全關(guān)閉。如果5秒后工作進(jìn)程仍在運(yùn)行并且仍然存在于workers對象中，那么我們調(diào)用工作進(jìn)程上的kill函數(shù)以強(qiáng)制其關(guān)閉。您可以在GitHub上找到一個實(shí)際示例。

結(jié)論

可以使用集群模塊對Node.js應(yīng)用程序進(jìn)行并行化，以便更有效地使用系統(tǒng)。可以使用幾行代碼同時運(yùn)行多個進(jìn)程，這使得遷移相對容易，因?yàn)镹ode.js處理困難的部分。正如我在性能比較中所展示的那樣，通過更有效地利用系統(tǒng)資源，應(yīng)用程序性能有可能得到顯著提高。除了性能之外，您還可以通過在應(yīng)用程序運(yùn)行時重新啟動工作進(jìn)程來提高應(yīng)用程序的可靠性和正常運(yùn)行時間。也就是說，在考慮在應(yīng)用程序中使用集群模塊時，您需要注意。集群模塊的主要推薦用途是用于Web服務(wù)器。在其他情況下，您需要仔細(xì)研究如何在工作進(jìn)程之間分配任務(wù)，以及如何在工作進(jìn)程和主進(jìn)程之間有效地溝通進(jìn)度。即使對于Web服務(wù)器，在對應(yīng)用程序進(jìn)行任何更改之前，也要確保單個Node.js進(jìn)程是瓶頸（內(nèi)存或CPU），因?yàn)槟母目赡軙脲e誤。最后一點(diǎn)，Node.js網(wǎng)站為集群模塊提供了很好的文檔。因此，請務(wù)必查看一下！

關(guān)于Node.js集群的常見問題解答（FAQ）

使用Node.js集群的主要優(yōu)勢是什么？

使用Node.js集群的主要優(yōu)勢是提高應(yīng)用程序的性能。 Node.js在一個線程上運(yùn)行，這意味著它一次只能利用一個CPU內(nèi)核。但是，現(xiàn)代服務(wù)器通常有多個內(nèi)核。通過使用Node.js集群，您可以創(chuàng)建一個主進(jìn)程，該進(jìn)程派生多個工作進(jìn)程，每個工作進(jìn)程都在不同的CPU內(nèi)核上運(yùn)行。這允許您的應(yīng)用程序同時處理更多請求，從而顯著提高其速度和性能。

Node.js集群是如何工作的？

Node.js集群通過創(chuàng)建一個主進(jìn)程來工作，該主進(jìn)程派生多個工作進(jìn)程。主進(jìn)程偵聽傳入請求并將它們以輪詢方式分發(fā)給工作進(jìn)程。每個工作進(jìn)程都在單獨(dú)的CPU內(nèi)核上運(yùn)行并獨(dú)立處理請求。這允許您的應(yīng)用程序利用所有可用的CPU內(nèi)核并同時處理更多請求。

如何創(chuàng)建一個Node.js集群？

創(chuàng)建Node.js集群涉及使用Node.js提供的“cluster”模塊。首先，您需要導(dǎo)入“cluster”和“os”模塊。然后，您可以使用“cluster.fork()”方法來創(chuàng)建工作進(jìn)程。 “os.cpus().length”為您提供可用的CPU內(nèi)核數(shù)，您可以使用它來確定要創(chuàng)建的工作進(jìn)程數(shù)。這是一個簡單的示例：

var cluster = require('cluster');

如何處理Node.js集群中的工作進(jìn)程崩潰？

您可以通過偵聽主進(jìn)程上的“exit”事件來處理Node.js集群中的工作進(jìn)程崩潰。當(dāng)工作進(jìn)程崩潰時，它會向主進(jìn)程發(fā)送“exit”事件。然后，您可以使用“cluster.fork()”方法來創(chuàng)建一個新的工作進(jìn)程以替換崩潰的工作進(jìn)程。這是一個示例：

if(cluster.isMaster) { ... }

我可以將Node.js集群與Express.js一起使用嗎？

是的，您可以將Node.js集群與Express.js一起使用。事實(shí)上，使用Node.js集群可以顯著提高Express.js應(yīng)用程序的性能。您只需要將Express.js應(yīng)用程序代碼放在集群腳本中的工作進(jìn)程代碼塊中即可。

Node.js集群的局限性是什么？

雖然Node.js集群可以顯著提高應(yīng)用程序的性能，但它也有一些局限性。例如，工作進(jìn)程不共享狀態(tài)或內(nèi)存。這意味著您不能將會話數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存中，因?yàn)樗谒泄ぷ鬟M(jìn)程中都不可訪問。相反，您需要使用共享會話存儲，例如數(shù)據(jù)庫或Redis服務(wù)器。

如何在Node.js集群中負(fù)載均衡請求？

默認(rèn)情況下，Node.js集群中的主進(jìn)程以輪詢方式將傳入請求分發(fā)給工作進(jìn)程。這提供了一種基本的負(fù)載均衡形式。但是，如果您需要更高級的負(fù)載均衡，則可能需要使用反向代理服務(wù)器，例如Nginx。

我可以在生產(chǎn)環(huán)境中使用Node.js集群嗎？

是的，您可以在生產(chǎn)環(huán)境中使用Node.js集群。事實(shí)上，強(qiáng)烈建議在生產(chǎn)環(huán)境中使用Node.js集群，以充分利用服務(wù)器的CPU內(nèi)核并提高應(yīng)用程序的性能。

如何調(diào)試Node.js集群？

調(diào)試Node.js集群可能有點(diǎn)棘手，因?yàn)槟卸鄠€工作進(jìn)程同時運(yùn)行。但是，您可以對每個工作進(jìn)程使用具有唯一端口的“inspect”標(biāo)志來將調(diào)試器附加到每個進(jìn)程。這是一個示例：

cluster.fork();

我可以將Node.js集群與其他Node.js模塊一起使用嗎？

是的，您可以將Node.js集群與其他Node.js模塊一起使用。但是，您需要注意的是，工作進(jìn)程不共享狀態(tài)或內(nèi)存。這意味著如果模塊依賴于共享狀態(tài)，它可能無法在集群環(huán)境中正常工作。

以上是如何創(chuàng)建一個node.js群集以加速您的應(yīng)用的詳細(xì)內(nèi)容。更多信息請關(guān)注PHP中文網(wǎng)其他相關(guān)文章！