Node.js进阶:cluster模块深入剖析
发布于 6 个月前 作者 chyingp 846 次浏览 来自 分享

cluster模块概览

node实例是单线程作业的。在服务端编程中,通常会创建多个node实例来处理客户端的请求,以此提升系统的吞吐率。对这样多个node实例,我们称之为cluster(集群)。

借助node的cluster模块,开发者可以在几乎不修改原有项目代码的前提下,获得集群服务带来的好处。

集群有以下两种常见的实现方案,而node自带的cluster模块,采用了方案二。

方案一:多个node实例+多个端口

集群内的node实例,各自监听不同的端口,再由反向代理实现请求到多个端口的分发。

  • 优点:实现简单,各实例相对独立,这对服务稳定性有好处。
  • 缺点:增加端口占用,进程之间通信比较麻烦。

方案二:主进程向子进程转发请求

集群内,创建一个主进程(master),以及若干个子进程(worker)。由master监听客户端连接请求,并根据特定的策略,转发给worker。

  • 优点:通常只占用一个端口,通信相对简单,转发策略更灵活。
  • 缺点:实现相对复杂,对主进程的稳定性要求较高。

入门实例

在cluster模块中,主进程称为master,子进程称为worker。

例子如下,创建与CPU数目相同的服务端实例,来处理客户端请求。注意,它们监听的都是同样的端口。

// server.js
var cluster = require('cluster');
var cpuNums = require('os').cpus().length;
var http = require('http');

if(cluster.isMaster){
  for(var i = 0; i < cpuNums; i++){
    cluster.fork();
  }
}else{
  http.createServer(function(req, res){
    res.end(`response from worker ${process.pid}`);
  }).listen(3000);

  console.log(`Worker ${process.pid} started`);
}

创建批处理脚本:./req.sh。

#!/bin/bash

# req.sh
for((i=1;i<=4;i++)); do   
  curl http://127.0.0.1:3000
  echo ""
done 

输出如下。可以看到,响应来自不同的进程。

response from worker 23735
response from worker 23731
response from worker 23729
response from worker 23730

cluster模块实现原理

了解cluster模块,主要搞清楚3个问题:

  1. master、worker如何通信?
  2. 多个server实例,如何实现端口共享?
  3. 多个server实例,来自客户端的请求如何分发到多个worker?

下面会结合示意图进行介绍,源码级别的介绍,可以参考 笔者的github

问题1:master、worker如何通信

这个问题比较简单。master进程通过 cluster.fork() 来创建 worker进程。cluster.fork() 内部 是通过 child_process.fork() 来创建子进程。

也就是说:

  1. master进程、worker进程是父、子进程的关系。
  2. master进程、woker进程可以通过IPC通道进行通信。(重要)

问题2:如何实现端口共享

在前面的例子中,多个woker中创建的server监听了同个端口3000。通常来说,多个进程监听同个端口,系统会报错。

为什么我们的例子没问题呢?

秘密在于,net模块中,对 listen() 方法进行了特殊处理。根据当前进程是master进程,还是worker进程:

  1. master进程:在该端口上正常监听请求。(没做特殊处理)
  2. worker进程:创建server实例。然后通过IPC通道,向master进程发送消息,让master进程也创建 server 实例,并在该端口上监听请求。当请求进来时,master进程将请求转发给worker进程的server实例。

归纳起来,就是:master进程监听特定端口,并将客户请求转发给worker进程。

如下图所示:

问题3:如何将请求分发到多个worker

每当worker进程创建server实例来监听请求,都会通过IPC通道,在master上进行注册。当客户端请求到达,master会负责将请求转发给对应的worker。

具体转发给哪个worker?这是由转发策略决定的。可以通过环境变量NODE_CLUSTER_SCHED_POLICY设置,也可以在cluster.setupMaster(options)时传入。

默认的转发策略是轮询(SCHED_RR)。

当有客户请求到达,master会轮询一遍worker列表,找到第一个空闲的worker,然后将该请求转发给该worker。

master、worker内部通信小技巧

在开发过程中,我们会通过 process.on(‘message’, fn) 来实现进程间通信。

前面提到,master进程、worker进程在server实例的创建过程中,也是通过IPC通道进行通信的。那会不会对我们的开发造成干扰呢?比如,收到一堆其实并不需要关心的消息?

答案肯定是不会?那么是怎么做到的呢?

当发送的消息包含cmd字段,且改字段以NODE_作为前缀,则该消息会被视为内部保留的消息,不会通过message事件抛出,但可以通过监听’internalMessage’捕获。

以worker进程通知master进程创建server实例为例子。worker伪代码如下:

// woker进程
const message = {
  cmd: 'NODE_CLUSTER',
  act: 'queryServer'
};
process.send(message);

master伪代码如下:

worker.process.on('internalMessage', fn);

相关链接

原文地址:https://www.chyingp.com/nodejs-cluster-implementation-detail/ 官方文档:https://nodejs.org/api/cluster.html Node学习笔记:https://github.com/chyingp/nodejs-learning-guide

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