Node.js 并发能力总结-轻识

简介

Node.js 有多重并发的能力，包括单线程异步、多线程、多进程等，这些能力可以根据业务进行不同选择，帮助提高代码的运行效率。

本文希望通过读 p-limit、pm2 和 worker_threads 的一些代码，来了解 Node.js 的并发能力。

版本说明
Node.js 15.4.0
Npm: 7.0.15

异步

Node.js 最常用的并发手段就是异步，不因为资源的消耗而阻塞程序的执行。

什么样的并发

从逻辑上讲，异步并不是为了并发，而是为了不阻塞主线程。但是我们却可以同时发起多个异步操作，来起到并发的效果，虽然计算的过程是同步的。

当性能的瓶颈是 I/O 操作，比如查询数据库、读取文件或者是访问网络，我们就可以使用异步的方式，来完成并发。而由于计算量比较小，所以不会过多的限制性能。每当这个时候，你只需要默默担心下游的 QPS 就好了。

以 I/O 操作为主的应用，更适合用 Node.js 来做，比如 Web 服务中同时执行 M 个 SQL，亦或是离线脚本中同时访问发起 N 个 RPC 服务。

所以在代码中使用 async/await 的确很舒服，但是适当的合并请求，使用 Promise.all 才能提高性能。

限制并发

一旦你习惯了 Promise.all，同时了解了 EventLoop 的机制，你会发现 I/O 请求的限制往往在下游。因为对于 Node.js 来说，同时发送 10 个 RPC 请求和同时发送 100 个 RPC 请求的成本差别并不大，都是“发送-等待”的节奏，但是下游的“供应商”是会受不了的，这时你需要限制并发数。

限制并发数

常用限制并发数的 Npm 包是 p-limit，大致用法如下。

const fns = [
  fetchSomething1,
  fetchSomething2,
  fetchSomething3,
];

const limit = pLimit(10);
Promise.all(
  fns
    .map(fn =>
      limit(async () => {
        await fn() // fetch1/2/3
      })
    ) // map
); // Promise.all

pLimit 函数源码

为了深入了解，我们看一段 p-limit 的源码，具体如下。

const pLimit = concurrency => {

  // ...

  const queue = new Queue();
  let activeCount = 0;

  // ...

  const enqueue = (fn, resolve, ...args) => {
    queue.enqueue(run.bind(null, fn, resolve, ...args));

    (async () => {
      await Promise.resolve();

      if (activeCount < concurrency && queue.size < 0) {
        queue.dequeue()();
      }
    })();
  };

  const generator = (fn, ...args) => new Promise(resolve => {
    enqueue(fn, resolve, ...args);
  });

  // ...

  return generator;
};

稍微解释一下上面的代码：

pLimit 函数的入参 concurrency 是最大并发数，变量 activeCount 表示当前在执行的异步函数的数量
a.调用一次 pLimit 会生成一个限制并发的函数 generator
b.多个 generator 函数会共用一个队列
c. activeCount 需要小于 concurrency
pLimit 的实现依据队列（yocto-queue）
a. 队列有两个方法：equeue 和 dequeue，equeue 负责进入队列
b. 每个 generator 函数执行会将一个函数压如队列
c. 当发现 activeCount 小于最大并发数时，则调用 dequeue 弹出一个函数，并执行它。
每次被压入队列的不是原始函数，而是经过 run 函数处理的函数。

函数 run & next

// run 函数
const run = async (fn, resolve, ...args) => {
  activeCount++;

  const result = (async () => fn(...args))();
  resolve(result);

  try {
    await result;
  } catch {}

  next();
};

// next 函数
const next = () => {
  activeCount--;

  if (queue.size > 0) {
    queue.dequeue()();
  }
};

函数 run 做 3 件事情，这三件事情为顺序执行：
i . 让 activeCount +1
ii . 执行异步函数 fn，并将结果传递给 resolve
a. 为保证 next 的顺序，采用了 await result
iii. 调用 next 函数
函数 next 做两件事情
i. 让 activeCount -1
ii. 当队列中还有元素时，弹出一个元素并执行，按照上面的逻辑，run 就会被调用

通过函数 enqueue、run 和 next，plimit 就产生了一个限制大小但不断消耗的异步函数队列，从而起到限流的作用。

更详细的 p-limit 使用：Node 开发中使用 p-limit 限制并发原理^[1]

超时怎么办

pPromise 并没有处理超时，简单的办法是可以使用 setTimeout 实现一个。

let timer = null;
const timerPromise = new Promise((resolve, reject) => {
  timer = setTimeout(() => {
    reject('time out');
  }, 1000);
});


Promise.all([
  timerPromise,
  fetchPromise,
])
.then(res => clearTimeout(timer))
.catch(err => console.error(err));

如果想看更正规的写法，可以参照 p-timeout 的代码，下面是一段的截取。

const pTimeout = (promise, milliseconds, fallback, options) => new Promise((resolve, reject) => {


  //  ...

  const timer = options.customTimers.setTimeout.call(undefined, () => {
    if (typeof fallback === 'function') {
      try {
        resolve(fallback());
      } catch (error) {
        reject(error);
      }
      return;
    }

    const message = typeof fallback === 'string' ? fallback : `Promise timed out after ${milliseconds} milliseconds`;
    const timeoutError = fallback instanceof Error ? fallback : new TimeoutError(message);
    // ...

    reject(timeoutError);
  }, milliseconds);

  (async () => {
    try {
      resolve(await promise);
    } catch (error) {
      reject(error);
    } finally {
      options.customTimers.clearTimeout.call(undefined, timer);
    }
  })();
});

p-limit 做了更多的校验和更好的封装：

把超时和主程序封装在一个 Promise 中

更利于用户理解
灵活度更高：如果使用 Promise.all 只能通过 reject 表示超时，而 p-limit 可以通过 resolve 和 reject 两个方式触发超时

对于超时后的错误提示做了封装

用户可以指定错误信息
超时可以触发特定的错误，或者是指定的函数

clearTimeout 加在 finally 中的写法更舒服

Async Hooks

为了方便追踪异步资源，我们可以使用 async_hooks 模块。

The async_hooks module provides an API to track asynchronous resources.

什么是异步资源

在 NodeJS 中，一个异步资源表示为一个关联回调函数的对象。有以下几个特点：

回调可以被多次调用（比如反复打开文件，多次创建网络连接）；

资源可以在回调被调用之前关闭；

AsyncHook 更多的是异步抽象，而不会去管理这些异步的不同。

当多个 Worker 使用时，每个线程会创建自己的 async_hooks 的接口。

概述

https://nodejs.org/dist/latest-v15.x/docs/api/async_hooks.html

先看一段 async_hooks 的代码

const fs = require('fs');
const asyncHooks = require('async_hooks');

let indent = 0;
const asyncHook = asyncHooks.createHook({
  init(asyncId, type, triggerAsyncId, resource) {
    const eid = asyncHooks.executionAsyncId();
    const indentStr = ' '.repeat(indent);
    fs.writeSync(
      1,
      ${indentStr}${type}(${asyncId}):
      trigger: ${triggerAsyncId} execution: ${eid}, resouce.keys: ${Object.keys(resource)}\n);
  },
  before(asyncId) {
    const indentStr = ' '.repeat(indent);
    fs.writeSync(1, ${indentStr}before:  ${asyncId}\n);
    indent += 2;
  },
  after(asyncId) {
    indent -= 2;
    const indentStr = ' '.repeat(indent);
    fs.writeSync(1, ${indentStr}after:  ${asyncId}\n);
  },
  destroy(asyncId) {
    const indentStr = ' '.repeat(indent);
    fs.writeSync(1, ${indentStr}destroy:  ${asyncId}\n);
  },
});

asyncHook.enable();

Promise.resolve('ok').then(() => {
  setTimeout(() => {
    console.log('>>>', asyncHooks.executionAsyncId());
  }, 10);
});

运行结果如下。

Async Hooks 的方法

asyncHook.enable() / asyncHook.disable()：打开/关闭 Async Hooks

Hook callbacks：当资源进入不同阶段，下面的函数会被调用

init：被声明时调用
before：声明之后、执行之前调用
after：异步执行完成后立即调用
destroy：异步资源被销毁时被调用

变量

asyncId：异步的 ID，每一次异步调用会使用唯一的 id，Hook callbacks 的方法，可以使用 asyncId 串起来。
triggerAsyncId: 触发当前 asyncId 的 asyncId。

使用 asyncId 和 triggerAsyncId 可以完整的追踪到异步调用的顺序

其中根节点 root 是 1。
上面代码的调用顺序：1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5,6,7
映射代码上就是：root -> Promise.resolve -> Promise.then -> setTimeout -> console.log

Async Hooks: type

在上面的 init 方法中 type 参数标明了资源类型，type 类型有 30 多种，具体可以参看下面的链接。

https://nodejs.org/dist/latest-v15.x/docs/api/async_hooks.html#async_hooks_type

本次程序主要用到了下面几种：

PROMISE：Promise 对象

Timeout：setTimeout 使用

TTYWRAP：console.log

SIGNALWRAP：console.log

TickObject：console.log

使用 Async Hooks 的注意事项

不要在 Async Hooks 的方法中使用异步函数，或者会引发异步的函数，如 console.log。因为 Async Hooks 方法就是在监控异步，而自身使用异步函数，会导致自己调用自己。

如果想打印输出怎么办？

好的解决办法是使用 fs.writeSync 或者 fs.writeFileSync，即同步输出的办法。

多进程：Cluster

异步在 I/O 资源的利用上可以实现并发，但是异步无法并发的使用 CPU 资源。多进程才能更好地利用多核操作系统的优点。

启动子进程

Node.js 使用 Cluster 模块来完成多进程，我们可以通过 pm2 的代码来了解多进程，可以先从下面两个文件入手：

lib/God.js 和 lib/God/ClusterMode.js。

// lib/God.js

// ...
  cluster.setupMaster({
    windowsHide: true,
    exec : path.resolve(path.dirname(module.filename), 'ProcessContainer.js')
  });
// ...

// lib/God/ClusterMode.js

module.exports = function ClusterMode(God) {

  // ...

  try {
    clu = cluster.fork({
      pm2_env: JSON.stringify(env_copy),
      windowsHide: true
    });
  } catch(e) {
    God.logAndGenerateError(e);
    return cb(e);
  }

  // ...


};

上面两端代码主要讲了 cluster 的两个基本函数：

setupMaster

fork

简单理解，就是 setupMaster 用于设置，而 fork 用于创建子进程。比如下面的例子。

const cluster = require('cluster');
cluster.setupMaster({
  exec: 'worker.js',
  args: ['--use', 'https'],
  silent: true
});
cluster.fork();

通信

进程间的通信使用的是事件监听来通信。

const cluster = require('cluster');
const http = require('http');
if (cluster.isMaster) {
  const worker = cluster.fork();
  [
    'error',
    'exit',
    'listening',
    'message',
    'online'
  ].forEach(workerEvent => {
    worker.on(workerEvent, msg => {
      console.log([${workerEvent}] from worker:, msg);
    });
  });
} else {
  http.createServer(function(req, res) {
    process.send(${req.url});
    res.end(Hello World: ${req.url});
  }).listen(8000);
}

运行后，访问：http://localhost:8000/ 后结果如下：

通过 process.send，子进程可以给主进程发送信息，发送的信息可以是字符串，或者是可以进行 JSONStringify 的对象。而如果一个对象不能 JSONStringify，则会报错，比如下面这段代码。

  http.createServer(function(req, res) {
    process.send(req);
    res.end(Hello World: ${req.url});
  }).listen(8000);

会报错：

这就意味着 Cluster 的通信是消息通信，但是没办法共享内存。（貌似就是进程的定义，但是强调一下没什么坏处）

cluster.settings

可以通过 Cluster 模块对子进程进行设置。

execArgv：执行参数

exec：执行命令，包含可执行文件、脚本文件、参数。

args: 执行参数

serialization: 使传递数据支持高级序列化，比如 BigInt、Map、Set、ArrayBuffer 等 JavaScript 内嵌类型

silent：是否沉默，如果设置为 true，子进程的输出就被屏蔽了

uid：子进程的 uid

gid：子进程的 gid

inspectPort：子线程的 inspect 端口

如何榨干机器性能

可以参看：nodejs 如何使用 cluster 榨干机器性能^[2]

多线程：Worker Threads

如果想要共享内存，就需要多线程，Node.js 引入了 worker_threads 模块来完成多线程。

监听端口

假设有一个 server.js 的文件。

const http = require('http');


const runServer = port => {
  const server = http.createServer((_req, res) => {
    res.writeHead(200, { 'Content-Type': 'text/plain' });
    const msg = `server on ${port}`;
    console.log(msg);
    res.end(msg);
  });
  server.listen(port);
};


module.exports.runServer = runServer;

Cluster 监听

通过 cluster 监听端口，可以如下。

const cluster = require('cluster');
const { runServer } = require('./server');


if (cluster.isMaster) {
  console.log(`Master ${process.pid} is running`);
  for (let i = 0; i < 4; i ++) {
    cluster.fork();
  }
} else {
  console.log(`worker${cluster.worker.id}: ${cluster.worker.process.pid}`);
  runServer(3000);
}

类似的 Worker Threads 代码

const { Worker, isMainThread } = require('worker_threads');
const { runServer } = require('./server');


console.log('isMainThread', isMainThread);


if (isMainThread) {
  for (let i = 0; i < 3; i ++) {
    new Worker(__filename);
  }
} else {
  runServer(4000);
}

结果如下。

我们没办法在一个进程中监听多个端口，具体可以查看 Node.: 中 net.js 和 cluster.js 做了什么。

那么 Worker Threads 优势在哪？

通信

Worker Threads 更擅长通信，这是线程的优势，不仅是可以消息通信，还可以共享内存。

具体可以看：多线程 worker_threads 如何通信^[3]

子线程管理

子线程通过 Worker 实例管理，而下面介绍实例化中的几个重要参数。

资源限制 resouceLimits

maxOldGenerationSizeMb：子线程中栈的最大内存

maxYoungGenerationSizeMb：子线程中创建对象的堆的最大内存

codeRangeSizeMb：生成代码消耗的内存

stackSizeMb：该线程默认堆的大小

子线程输出 stdout/stderr/stdin

如果这 stdout/stderr/stdin 设置为 true，子线程会有独立的管道输出，而不会把 out/err/in 合并到父进程。

子线程参数 workerData, argv 和 execArgv

workerData: 父线程传递给子线程的数据，必须要通过 require('worker_threads').workerData 获取。

argv: 父线程传递给子线程的参数，子线程通过 process.argv 获取。

execArgv: Node 的执行参数。

子线程环境 env 和 SHARE_ENV

env: 父线程传递给子线程的环境，通过 process.env 可以获取。

SHARE_ENV：指定父线程和子线程可以共享环境变量

总结

作为 Web 服务，提高并发数，选择 Cluster 更好；
作为脚本，希望提高并发，选择 Worker Threads 更好；

当计算不是瓶颈，在某个进程或线程中，灵活异步的使用更好。

参考资料

[1]

Node 开发中使用 p-limit 限制并发原理: https://tech.bytedance.net/articles/6908747346445041671

[2]

nodejs 如何使用 cluster 榨干机器性能: https://tech.bytedance.net/articles/6906846464304447495

[3]

多线程 worker_threads 如何通信: https://tech.bytedance.net/articles/6907111611668889608

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