系列３｜走进Node.js之多进程模型

文：正龙（沪江网校Web前端工程师）

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之前的文章“走进Node.js之HTTP实现分析”中，大家已经了解 Node.js 是如何处理 HTTP 请求的，在整个处理过程，它仅仅用到单进程模型。那么如何让 Web 应用扩展到多进程模型，以便充分利用CPU资源呢？答案就是 Cluster。本篇文章将带着大家一起分析Node.js的多进程模型。

首先，来一段经典的 Node.js 主从服务模型代码：

const cluster = require('cluster');
const numCPUs = require('os').cpus().length;

if (cluster.isMaster) {
  for (let i = 0; i < numCPUs; i++) {
    cluster.fork();
  }
} else {
  require('http').createServer((req, res) => {
    res.end('hello world');
  }).listen(3333);
}

通常，主从模型包含一个主进程（master）和多个从进程（worker），主进程负责接收连接请求，以及把单个的请求任务分发给从进程处理；从进程的职责就是不断响应客户端请求，直至进入等待状态。如图 3-1 所示：

围绕这段代码，本文希望讲述清楚几个关键问题：

1. 从进程的创建过程；

2. 在使用同一主机地址的前提下，如果指定端口已经被监听，其它进程尝试监听同一端口时本应该会报错（EADDRINUSE，即端口已被占用）；那么，Node.js 如何能够在主从进程上对同一端口执行 listen 方法？

进程 fork 是如何完成的？

在 Node.js 中，cluster.fork 与 POSIX 的 fork 略有不同：虽然从进程仍旧是 fork 创建，但是并不会直接使用主进程的进程映像，而是调用系统函数 execvp 让从进程使用新的进程映像。另外，每个从进程对应一个 Worker 对象，它有如下状态：none、online、listening、dead和disconnected。

ChildProcess 对象主要提供进程的创建（spawn）、销毁（kill）以及进程句柄引用计数管理（ref 与 unref）。在对Process对象（process_wrap.cc）进行封装之外，它自身也处理了一些细节问题。例如，在方法 spawn 中，如果需要主从进程之间建立 IPC 管道，则通过环境变量 NODE_CHANNEL_FD 来告知从进程应该绑定的 IPC 相关的文件描述符（fd），这个特殊的环境变量后面会被再次涉及到。

以上提到的三个对象引用关系如下：

cluster.fork 的主要执行流程：

1. 调用 child_process.spawn；

2. 创建 ChildProcess 对象，并初始化其 _handle 属性为 Process 对象；Process 是 process_wrap.cc 中公布给 JavaScript 的对象，它封装了 libuv 的进程操纵功能。附上 Process 对象的 C++ 定义：

interface Process {
  construtor(const FunctionCallbackInfo<Value>& args);
  void close(const FunctionCallbackInfo<Value>& args);
  void spawn(const FunctionCallbackInfo<Value>& args);
  void kill(const FunctionCallbackInfo<Value>& args);
  void ref(const FunctionCallbackInfo<Value>& args);
  void unref(const FunctionCallbackInfo<Value>& args);
  void hasRef(const FunctionCallbackInfo<Value>& args);
}

1. 调用 ChildProcess._handle 的方法 spawn，并会最终调用 libuv 库中 uv_spawn。

主进程在执行 cluster.fork 时，会指定两个特殊的环境变量 NODE_CHANNEL_FD 和 NODE_UNIQUE_ID，所以从进程的初始化过程跟一般 Node.js 进程略有不同：

1. bootstrap_node.js 是运行时包含的 JavaScript 入口文件，其中调用 internal\process.setupChannel；

2. 如果环境变量包含 NODE_CHANNEL_FD，则调用 child_process._forkChild，然后移除该值；

3. 调用 internal\child_process.setupChannel，在子进程的全局 process 对象上监听消息 internalMessage，并且添加方法 send 和 _send。其中 send 只是对 _send 的封装；通常，_send 只是把消息 JSON 序列化之后写入管道，并最终投递到接收端。

4. 如果环境变量包含 NODE_UNIQUE_ID，则当前进程是 worker 模式，加载 cluster 模块时会执行 workerInit；另外，它也会影响到 net.Server 的 listen 方法，worker 模式下 listen 方法会调用 cluster._getServer，该方法实质上向主进程发起消息 {"act" : "queryServer"}，而不是真正监听端口。

IPC实现细节

上文提到了 Node.js 主从进程仅仅通过 IPC 维持联络，那这一节就来深入分析下 IPC 的实现细节。首先，让我们看一段示例代码:

1-master.js

const {spawn} = require('child_process');
let child = spawn(process.execPath, [`${__dirname}/1-slave.js`], {
  stdio: [0, 1, 2, 'ipc']
});

child.on('message', function(data) {
  console.log('received in master:');
  console.log(data);
});

child.send({
  msg: 'msg from master'
});

1-slave.js

process.on('message', function(data) {
  console.log('received in slave:');
  console.log(data);
});
process.send({
  'msg': 'message from slave'
});

node 1-master.js

运行结果如下：

细心的同学可能发现控制台输出并不是连续的，master和slave的日志交错打印，这是由于并行进程执行顺序不可预知造成的。

socketpair

前文提到从进程实际上通过系统调用 execvp 启动新的 Node.js 实例；也就是说默认情况下，Node.js 主从进程不会共享文件描述符表，那它们到底是如何互发消息的呢？

原来，可以利用 socketpair 创建一对全双工匿名 socket，用于在进程间互发消息；其函数签名如下：

int socketpair(int domain, int type, int protocol, int sv[2]);

通常情况下，我们是无法通过 socket 来传递文件描述符的；当主进程与客户端建立了连接，需要把连接描述符告知从进程处理，怎么办？其实，通过指定 socketpair 的第一个参数为 AF_UNIX，表示创建匿名 UNIX 域套接字（UNIX domain socket），这样就可以使用系统函数 sendmsg 和 recvmsg 来传递/接收文件描述符了。

主进程在调用 cluster.fork 时，相关流程如下：

1. 创建 Pipe（pipe_wrap.cc）对象，并且指定参数 ipc 为 true；
2. 调用 uv_spawn，options 参数为 uv_process_options_s 结构体，把 Pipe 对象存储在结构体的属性 stdio 中；
3. 调用 uv__process_init_stdio，通过 socketpair 创建全双工 socket；
4. 调用 uv__process_open_stream，设置 Pipe 对象的 iowatcher.fd 值为全双工 socket 之一。

至此，主从进程就可以进行双向通信了。流程图如下：

我们再回看一下环境变量 NODE_CHANNEL_FD，令人疑惑的是，它的值始终为3。进程级文件描述符表中，0-2分别是标准输入stdin、标准输出stdout和标准错误输出stderr，那么可用的第一个文件描述符就是3，socketpair 显然会占用从进程的第一个可用文件描述符。这样，当从进程往 fd=3 的流中写入数据时，主进程就可以收到消息；反之，亦类似。

从 IPC 读取消息主要是流操作，以后有机会详解，下面列出主要流程：

1. StreamBase::EditData 回调 onread；

2. StreamWrap::OnReadImpl 调用 StreamWrap::EditData；

3. StreamWrap 的构造函数会调用 set_read_cb 设置 OnReadImpl；

4. StreamWrap::set_read_cb 设置属性 StreamWrap::read_cb_；

5. StreamWrap::OnRead 中引用属性 read_cb_；

6. StreamWrap::ReadStart 调用 uv_read_start 时传递 Streamwrap::OnRead 作为第3个参数：

int uv_read_start(uv_stream_t* stream, uv_alloc_cb alloc_cb, uv_read_cb read_cb)

涉及到的类图关系如下：

服务器主从模型

以上大概分析了从进程的创建过程及其特殊性；如果要实现主从服务模型的话，还需要解决一个基本问题：从进程怎么获取到与客户端间的连接描述符？我们打算从 process.send（只有在从进程的全局 process 对象上才有 send 方法，主进程可以通过 worker.process 或 worker 访问该方法）的函数签名着手：

void send(message, sendHandle, callback)

其参数 message 和 callback 含义也许显而易见，分别指待发送的消息对象和操作结束之后的回调函数。那它的第二个参数 sendHandle 用途是什么？

前文提到系统函数 socketpair 可以创建一对双向 socket，能够用来发送 JSON 消息，这一块主要涉及到流操作；另外，当 sendHandle 有值时，它们还可以用于传递文件描述符，其过程要相对复杂一些，但是最终会调用系统函数 sendmsg 以及 recvmsg。

传递与客户端的连接描述符

在主从服务模型下，主进程负责跟客户端建立连接，然后把连接描述符通过 sendmsg 传递给从进程。我们来看看这一过程：

从进程

1. 调用 http.Server.listen 方法（继承至 net.Server）；

2. 调用 cluster._getServer，向主进程发起消息：

{
  "cmd": "NODE_HANDLE",
  "msg": {
    "act": "queryServer"
  }
}

主进程

1. 接收处理这个消息时，会新建一个 RoundRobinHandle 对象，为变量 handle。每个 handle 与一个连接端点对应，并且对应多个从进程实例；同时，它会开启与连接端点相应的 TCP 服务 socket。

class RoundRobinHandle {
  construtor(key, address, port, addressType, fd) {
    // 监听同一端点的从进程集合
    this.all = [];

    // 可用的从进程集合
    this.free = [];

    // 当前等待处理的客户端连接描述符集合
    this.handles = [];

    // 指定端点的TCP服务socket
    this.server = null;
  }
  add(worker, send) {
    // 把从进程实例加入this.all
  }
  remove(worker) {
    // 移除指定从进程
  }
  distribute(err, handle) {
    // 把连接描述符handle存入this.handles，并指派一个可用的从进程实例开始处理连接请求
  }
  handoff(worker) {
    // 从this.handles中取出一个待处理的连接描述符，并向从进程发起消息
    // {
    //  "type": "NODE_HANDLE",
    //  "msg": {
    //    "act": "newconn",
    //  }
    // }
  }
}

1. 调用 handle.add 方法，把 worker 对象添加到 handle.all 集合中；

2. 当 handle.server 开始监听客户端请求之后，重置其 onconnection 回调函数为 RoundRobinHandle.distribute，这样的话主进程就不用实际处理客户端连接，只要分发连接给从进程处理即可。它会把连接描述符存入 handle.handles 集合，当有可用 worker 时，则向其发送消息 { "act": "newconn" }。如果被指派的 worker 没有回复确认消息 { "ack": message.seq, accepted: true }，则会尝试把该连接分配给其他 worker。

流程图如下：

从进程上调用listen

客户端连接处理

从进程如何与主进程监听同一端口？

原因主要有两点：

** I. 从进程中 Node.js 运行时的初始化略有不同**

1. 因为从进程存在环境变量 NODE_UNIQUE_ID，所以在 bootstrap_node.js 中，加载 cluster 模块时执行 workerInit 方法。这个地方与主进程执行的 masterInit 方法不同点在于：其一，从进程上没有 cluster.fork 方法，所以不能在从进程继续创建子孙进程；其二，Worker 对象上的方法 disconnect 和 destroy 实现也有所差异：我们以调用 worker.destroy 为例，在主进程上时，不能直接把从进程杀掉，而是通知从进程退出，然后再把它从集合里删除；当在从进程上时，从进程通知完主进程然后退出就可以了；其三，从进程上 cluster 模块新增了方法 _getServer，用于向主进程发起消息 {"act": "queryServer"}，通知主进程创建 RoundRobinHandle 对象，并实际监听指定端口地址；然后自身用一个模拟的 TCP 描述符继续执行；

2. 调用 cluster._setupWorker 方法，主要是初始化 cluster.worker 属性，并监听消息 internalMessage，处理两种消息类型：newconn 和 disconnect；

3. 向主进程发起消息 { "act": "online" }；

4. 因为从进程额环境变量中有 NODE_CHANNEL_FD，调用 internal\process.setupChannel时，会连接到系统函数 socketpair 创建的双向 socket ，并监听 internalMessage ，处理消息类型：NODE_HANDLE_ACK和NODE_HANDLE。

** II. listen 方法在主从进程中执行的代码略有不同。**

在 net.Server（net.js）的方法 listen 中，如果是主进程，则执行标准的端口绑定流程；如果是从进程，则会调用 cluster._getServer，参见上面对该方法的描述。

最后，附上基于libuv实现的一个 C 版 Master-Slave 服务模型，GitHub地址。

启动服务器之后，访问 http://localhost:3333 的运行结果如下：

相信通过本篇文章的介绍，大家已经对Node.js的Cluster有了一个全面的了解。下一次作者会跟大家一起深入分析Node.js进程管理在生产环境下的可用性问题，敬请期待。

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