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Node.js的多線程能力怎么做異步計算

本篇內(nèi)容介紹了“Node.js的多線程能力怎么做異步計算”的有關(guān)知識,在實際案例的操作過程中,不少人都會遇到這樣的困境,接下來就讓小編帶領(lǐng)大家學(xué)習(xí)一下如何處理這些情況吧!希望大家仔細閱讀,能夠?qū)W有所成!

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都說 Node.js 可以實現(xiàn)高性能的服務(wù)器,那什么是高性能呢?

所有的軟件代碼最終都是通過 CPU 來跑的,能不能把 CPU 高效利用起來是區(qū)分性能高低的標(biāo)志,也就是說不能讓它空轉(zhuǎn)。

那什么時候會空轉(zhuǎn)呢?

  • 當(dāng)程序在進行網(wǎng)絡(luò)和磁盤的 IO 的時候,這時候 CPU 是空閑的,也就是在空轉(zhuǎn)。

  • 多核 CPU 可以同時跑多個程序,如果只利用了其中一核,那么其他核也是在空轉(zhuǎn)。

所以,要想達到高性能,就要解決這兩個問題。

操作系統(tǒng)提供了線程的抽象,對應(yīng)代碼不同的執(zhí)行分支,都是可以同時上不同的 CPU 跑的,這是利用好多核 CPU 性能的方式。

而如果有的線程在進行 IO 了,也就是要阻塞的等待讀寫完成,這種是比較低效的方式,所以操作系統(tǒng)實現(xiàn)了 DMA 的機制,就是設(shè)備控制器,由硬件來負責(zé)從設(shè)備到內(nèi)存的搬運,在搬完了告訴 CPU 一聲。這樣當(dāng)有的線程在 IO 的時候就可以把線程暫停掉,等收到 DMA 運輸數(shù)據(jù)完成的通知再繼續(xù)跑。

多線程、DMA,這是利用好多核 CPU 優(yōu)勢、解決 CPU 阻塞等 IO 的問題的操作系統(tǒng)提供的解決方案。

而各種編程語言對這種機制做了封裝,Node.js 也是,Node.js 之所以是高性能,就是因為異步 IO 的設(shè)計。

Node.js 的異步 IO 的實現(xiàn)在 libuv,基于操作系統(tǒng)提供的異步的系統(tǒng)調(diào)用,這種一般是硬件級別的異步,比如 DMA 搬運數(shù)據(jù)。但是其中有一些同步的系統(tǒng)調(diào)用,通過 libuv 封裝以后也會變成異步的,這是因為 libuv 內(nèi)有個線程池,來執(zhí)行這些任務(wù),把同步的 API 變成異步的。這個線程池的大小可以通過 UV_THREADPOOL_SIZE 的環(huán)境變量設(shè)置,默認是 4。

Node.js的多線程能力怎么做異步計算

我們在代碼里調(diào)用的異步 API,很多都是通過線程來實現(xiàn)的。

比如:

const fsPromises = require('fs').promises;

const data = await fsPromises.readFile('./filename');

但是,這種異步 API 只解決了 IO 的問題,那如何利用多核 CPU 的優(yōu)勢來做計算呢?

Node.js 在 10.5 實驗性的引入(在 12 正式引入)了 worker_thread 模塊,可以創(chuàng)建線程,最終用多個 CPU 跑,這是利用多核 CPU 的做計算的方式。

異步 API 可以利用多線程做 IO,而 worker_thread 可以創(chuàng)建線程做計算,用于不同的目的。

要聊清楚 worker_thread,還得從瀏覽器的 web worker 聊起。

瀏覽器的 web worker

瀏覽器也同樣面臨不能利用多核 CPU 做計算的問題,所以 html5 引入了 web worker,可以通過另一個線程做計算。

<!DOCTYPE html>
<html>
<head></head>
<body>
    <script>
        (async function () {
            const res = await runCalcWorker(2, 3, 3, 3);
            console.log(res);
        })();

        function runCalcWorker(...nums) {
            return new Promise((resolve, reject) => {
                const calcWorker = new Worker('./webWorker.js');
                calcWorker.postMessage(nums)
                calcWorker.onmessage = function (msg) {
                    resolve(msg.data);
                };
                calcWorker.onerror = reject;
            });
        }
    </script>

</body>
</html>

我們創(chuàng)建一個 Worker 對象,指定跑在另一個線程的 js 代碼,然后通過 postMessage 傳遞消息給它,通過 onMessage 接收消息。這個過程也是異步的,我們進一步把它封裝成了 promise。

然后在 webWorker.js 里面接收數(shù)據(jù),做計算,之后通過 postMessage 傳回結(jié)果。

// webWorker.js
onmessage = function(msg) {
    if (Array.isArray(msg.data)) {
        const res = msg.data.reduce((total, cur) => {
            return total += cur;
        }, 0);
        postMessage(res);
    }
}

這樣,我們就利用了另一個 CPU 核來跑了這段計算,對寫代碼來說和普通的異步代碼沒啥區(qū)別。但這個異步實際上不是 IO 的異步,而是計算的異步。

Node.js 的 worker thread 和 web worker 類似,我甚至懷疑 worker thread 的名字就是受 web worker 影響的。

Node.js 的 worker thread

把上面那段異步計算的邏輯在 Node.js 里面實現(xiàn)話,是這樣的:

const runCalcWorker = require('./runCalcWorker');

(async function () {
    const res = await runCalcWorker(2, 3, 3, 3);
    console.log(res);
})();

以異步的方式調(diào)用,因為異步計算和異步 IO 在使用方式上沒啥區(qū)別。

// runCalcWorker.js
const  { Worker } = require('worker_threads');

module.exports = function(...nums) {
    return new Promise(function(resolve, reject) {
        const calcWorker = new Worker('./nodeWorker.js');
        calcWorker.postMessage(nums);

        calcWorker.on('message', resolve);
        calcWorker.on('error', reject);
    });
}

然后異步計算的實現(xiàn)是通過創(chuàng)建 Worker 對象,指定在另一個線程跑的 JS,然后通過 postMessage 傳遞消息,通過 message 接收消息。這個和 web worker 很類似。

// nodeWorker.js
const {
    parentPort
} = require('worker_threads');

parentPort.on('message', (data) => {
    const res = data.reduce((total, cur) => {
        return total += cur;
    }, 0);
    parentPort.postMessage(res);
});

在具體執(zhí)行計算的 nodeWorker.js 里面,監(jiān)聽 message 消息,然后進行計算,通過  parentPost.postMessage 傳回數(shù)據(jù)。

對比下 web worker,你會發(fā)現(xiàn)特別的像。所以,我覺得 Node.js 的 worker thread 的 api 是參考 web worker 來設(shè)計的。

但是,其實 worker thread 也支持在創(chuàng)建的時候就通過 wokerData 傳遞數(shù)據(jù):

const  { Worker } = require('worker_threads');

module.exports = function(...nums) {
    return new Promise(function(resolve, reject) {
        const calcWorker = new Worker('./nodeWorker.js', {
            workerData: nums
        });
        calcWorker.on('message', resolve);
        calcWorker.on('error', reject);
    });
}

然后 worker 線程里通過 workerData 來?。?/p>

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

const data = workerData;
const res = data.reduce((total, cur) => {
    return total += cur;
}, 0);
parentPort.postMessage(res);

因為有個傳遞消息的機制,所以要做序列化和反序列化,像函數(shù)這種無法被序列化的數(shù)據(jù)就無法傳輸了。這也是 worker thread 的特點。

Node.js 的 worker thread 和 瀏覽器 web woker 的對比

從使用上來看,都可以封裝成普通的異步調(diào)用,和其他異步 API 用起來沒啥區(qū)別。

都要經(jīng)過數(shù)據(jù)的序列化反序列化,都支持 postMessage、onMessage 來收發(fā)消息。

除了 message,Node.js 的 worker thread 支持傳遞數(shù)據(jù)的方式更多,比如還有 workerData。

但從本質(zhì)上來看,兩者都是為了實現(xiàn)異步計算,充分利用多核 CPU 的性能,沒啥區(qū)別。

總結(jié)

高性能的程序也就是要充分利用 CPU 資源,不要讓它空轉(zhuǎn),也就是 IO 的時候不要讓 CPU 等,多核 CPU 也要能同時利用起來做計算。操作系統(tǒng)提供了線程、DMA的機制來解決這種問題。Node.js 也做了相應(yīng)的封裝,也就是 libuv 實現(xiàn)的異步 IO 的 api,但是計算的異步是 Node 12 才正式引入的,也就是 worker thread,api 設(shè)計參考了瀏覽器的 web worker,傳遞消息通過 postMessage、onMessage,需要做數(shù)據(jù)的序列化,所以函數(shù)是沒法傳遞的。

從使用上來看異步計算、異步 IO 使用方式一樣,但是異步 IO 只是讓 cpu 不同阻塞的等待 IO 完成,異步計算是利用了多核 CPU 同時進行并行的計算,數(shù)倍提升計算性能。

“Node.js的多線程能力怎么做異步計算”的內(nèi)容就介紹到這里了,感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業(yè)相關(guān)的知識可以關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)網(wǎng)站,小編將為大家輸出更多高質(zhì)量的實用文章!

本文題目:Node.js的多線程能力怎么做異步計算
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