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Node.js child_process模块解读

在介绍child_process模块之前,先来看一个例子。

const http = require('http');
const longComputation = () => {
  let sum = 0;
  for (let i = 0; i < 1e10; i++) {
    sum += i;
  };
  return sum;
};
const server = http.createServer();
server.on('request', (req, res) => {
  if (req.url === '/compute') {
    const sum = longComputation();
    return res.end(`Sum is ${sum}`);
  } else {
    res.end('Ok')
  }
});

server.listen(3000);
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可以试一下使用上面的代码启动Node.js服务,然后打开两个浏览器选项卡分别访问/compute和/,可以发现node服务接收到/compute请求时会进行大量的数值计算,导致无法响应其他的请求(/)。

在Java语言中可以通过多线程的方式来解决上述的问题,但是Node.js在代码执行的时候是单线程的,那么Node.js应该如何解决上面的问题呢?其实Node.js可以创建一个子进程执行密集的cpu计算任务(例如上面例子中的longComputation)来解决问题,而child_process模块正是用来创建子进程的。

创建子进程的方式

child_process提供了几种创建子进程的方式

  • 异步方式:spawn、exec、execFile、fork
  • 同步方式:spawnSync、execSync、execFileSync

首先介绍一下spawn方法

child_process.spawn(command[, args][, options])

command: 要执行的指令
args:    传递参数
options: 配置项
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const { spawn } = require('child_process');
const child = spawn('pwd');
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pwd是shell的命令,用于获取当前的目录,上面的代码执行完控制台并没有任何的信息输出,这是为什么呢?

控制台之所以不能看到输出信息的原因是由于子进程有自己的stdio流(stdin、stdout、stderr),控制台的输出是与当前进程的stdio绑定的,因此如果希望看到输出信息,可以通过在子进程的stdout 与当前进程的stdout之间建立管道实现

child.stdout.pipe(process.stdout);
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也可以监听事件的方式(子进程的stdio流都是实现了EventEmitter API的,所以可以添加事件监听)

child.stdout.on('data', function(data) {
  process.stdout.write(data);
});
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在Node.js代码里使用的console.log其实底层依赖的就是process.stdout

除了建立管道之外,还可以通过子进程和当前进程共用stdio的方式来实现

const { spawn } = require('child_process');
const child = spawn('pwd', {
  stdio: 'inherit'
});
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stdio选项用于配置父进程和子进程之间建立的管道,由于stdio管道有三个(stdin, stdout, stderr)因此stdio的三个可能的值其实是数组的一种简写

  • pipe 相当于['pipe', 'pipe', 'pipe'](默认值)
  • ignore 相当于['ignore', 'ignore', 'ignore']
  • inherit 相当于[process.stdin, process.stdout, process.stderr]

由于inherit方式使得子进程直接使用父进程的stdio,因此可以看到输出

ignore用于忽略子进程的输出(将/dev/null指定为子进程的文件描述符了),因此当ignore时child.stdout是null。

spawn默认情况下并不会创建子shell来执行命令,因此下面的代码会报错

const { spawn } = require('child_process');
const child = spawn('ls -l');
child.stdout.pipe(process.stdout);

// 报错
events.js:167
      throw er; // Unhandled 'error' event
      ^

Error: spawn ls -l ENOENT
    at Process.ChildProcess._handle.onexit (internal/child_process.js:229:19)
    at onErrorNT (internal/child_process.js:406:16)
    at process._tickCallback (internal/process/next_tick.js:63:19)
    at Function.Module.runMain (internal/modules/cjs/loader.js:746:11)
    at startup (internal/bootstrap/node.js:238:19)
    at bootstrapNodeJSCore (internal/bootstrap/node.js:572:3)
Emitted 'error' event at:
    at Process.ChildProcess._handle.onexit (internal/child_process.js:235:12)
    at onErrorNT (internal/child_process.js:406:16)
    [... lines matching original stack trace ...]
    at bootstrapNodeJSCore (internal/bootstrap/node.js:572:3)
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如果需要传递参数的话,应该采用数组的方式传入

const { spawn } = require('child_process');
const child = spawn('ls', ['-l']);
child.stdout.pipe(process.stdout);
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如果要执行ls -l | wc -l命令的话可以采用创建两个spawn命令的方式

const { spawn } = require('child_process');
const child = spawn('ls', ['-l']);
const child2 = spawn('wc', ['-l']);
child.stdout.pipe(child2.stdin);
child2.stdout.pipe(process.stdout);
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也可以使用exec

const { exec } = require('child_process');
exec('ls -l | wc -l', function(err, stdout, stderr) {
  console.log(stdout);
});
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由于exec会创建子shell,所以可以直接执行shell管道命令。spawn采用流的方式来输出命令的执行结果,而exec也是将命令的执行结果缓存起来统一放在回调函数的参数里面,因此exec只适用于命令执行结果数据小的情况。

其实spawn也可以通过配置shell option的方式来创建子shell进而支持管道命令,如下所示

const { spawn, execFile } = require('child_process');
const child = spawn('ls -l | wc -l', {
  shell: true
});
child.stdout.pipe(process.stdout);
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配置项除了stdio、shell之外还有cwd、env、detached等常用的选项

cwd用于修改命令的执行目录

const { spawn, execFile, fork } = require('child_process');
const child = spawn('ls -l | wc -l', {
  shell: true,
  cwd: '/usr'
});
child.stdout.pipe(process.stdout);
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env用于指定子进程的环境变量(如果不指定的话,默认获取当前进程的环境变量)

const { spawn, execFile, fork } = require('child_process');
const child = spawn('echo $NODE_ENV', {
  shell: true,
  cwd: '/usr'
});
child.stdout.pipe(process.stdout);
NODE_ENV=randal node b.js

// 输出结果
randal
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如果指定env的话就会覆盖掉默认的环境变量,如下

const { spawn, execFile, fork } = require('child_process');
spawn('echo $NODE_TEST $NODE_ENV', {
  shell: true,
  stdio: 'inherit',
  cwd: '/usr',
  env: {
    NODE_TEST: 'randal-env'
  }
});

NODE_ENV=randal node b.js

// 输出结果
randal-env
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detached用于将子进程与父进程断开连接

例如假设存在一个长时间运行的子进程

// timer.js
while(true) {

}
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但是主进程并不需要长时间运行的话就可以用detached来断开二者之间的连接

const { spawn, execFile, fork } = require('child_process');
const child = spawn('node', ['timer.js'], {
  detached: true,
  stdio: 'ignore'
});
child.unref();
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当调用子进程的unref方法时,同时配置子进程的stdio为ignore时,父进程就可以独立退出了

execFile与exec不同,execFile通常用于执行文件,而且并不会创建子shell环境

fork方法是spawn方法的一个特例,fork用于执行js文件创建Node.js子进程。而且fork方式创建的子进程与父进程之间建立了IPC通信管道,因此子进程和父进程之间可以通过send的方式发送消息。

注意:fork方式创建的子进程与父进程是完全独立的,它拥有单独的内存,单独的V8实例,因此并不推荐创建很多的Node.js子进程

fork方式的父子进程之间的通信参照下面的例子

parent.js

const { fork } = require('child_process');

const forked = fork('child.js');

forked.on('message', (msg) => {
  console.log('Message from child', msg);
});

forked.send({ hello: 'world' });

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child.js

process.on('message', (msg) => {
  console.log('Message from parent:', msg);
});

let counter = 0;

setInterval(() => {
  process.send({ counter: counter++ });
}, 1000);
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node parent.js

// 输出结果
Message from parent: { hello: 'world' }
Message from child { counter: 0 }
Message from child { counter: 1 }
Message from child { counter: 2 }
Message from child { counter: 3 }
Message from child { counter: 4 }
Message from child { counter: 5 }
Message from child { counter: 6 }
复制代码

回到本文初的那个问题,我们就可以将密集计算的逻辑放到单独的js文件中,然后再通过fork的方式来计算,等计算完成时再通知主进程计算结果,这样避免主进程繁忙的情况了。

compute.js

const longComputation = () => {
  let sum = 0;
  for (let i = 0; i < 1e10; i++) {
    sum += i;
  };
  return sum;
};

process.on('message', (msg) => {
  const sum = longComputation();
  process.send(sum);
});


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index.js

const http = require('http');
const { fork } = require('child_process');

const server = http.createServer();

server.on('request', (req, res) => {
  if (req.url === '/compute') {
    const compute = fork('compute.js');
    compute.send('start');
    compute.on('message', sum => {
      res.end(`Sum is ${sum}`);
    });
  } else {
    res.end('Ok')
  }
});

server.listen(3000);
复制代码

监听进程事件

通过前述几种方式创建的子进程都实现了EventEmitter,因此可以针对进程进行事件监听

常用的事件包括几种:close、exit、error、message

close事件当子进程的stdio流关闭的时候才会触发,并不是子进程exit的时候close事件就一定会触发,因为多个子进程可以共用相同的stdio。

close与exit事件的回调函数有两个参数code和signal,code代码子进程最终的退出码,如果子进程是由于接收到signal信号终止的话,signal会记录子进程接受的signal值。

先看一个正常退出的例子

const { spawn, exec, execFile, fork } = require('child_process');
const child = exec('ls -l', {
  timeout: 300
});
child.on('exit', function(code, signal) {
  console.log(code);
  console.log(signal);
});

// 输出结果
0
null
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再看一个因为接收到signal而终止的例子,应用之前的timer文件,使用exec执行的时候并指定timeout

const { spawn, exec, execFile, fork } = require('child_process');
const child = exec('node timer.js', {
  timeout: 300
});
child.on('exit', function(code, signal) {
  console.log(code);
  console.log(signal);
});
// 输出结果
null
SIGTERM
复制代码

注意:由于timeout超时的时候error事件并不会触发,并且当error事件触发时exit事件并不一定会被触发

error事件的触发条件有以下几种:

  • 无法创建进程
  • 无法结束进程
  • 给进程发送消息失败

注意当代码执行出错的时候,error事件并不会触发,exit事件会触发,code为非0的异常退出码

const { spawn, exec, execFile, fork } = require('child_process');
const child = exec('ls -l /usrs');
child.on('error', function(code, signal) {
  console.log(code);
  console.log(signal);
});
child.on('exit', function(code, signal) {
  console.log('exit');
  console.log(code);
  console.log(signal);
});

// 输出结果
exit
1
null
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message事件适用于父子进程之间建立IPC通信管道的时候的信息传递,传递的过程中会经历序列化与反序列化的步骤,因此最终接收到的并不一定与发送的数据相一致。

sub.js

process.send({ foo: 'bar', baz: NaN });
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const cp = require('child_process');
const n = cp.fork(`${__dirname}/sub.js`);

n.on('message', (m) => {
  console.log('got message:', m);   // got message: { foo: 'bar', baz: null }
});
复制代码

关于message有一种特殊情况要注意,下面的message并不会被子进程接收到

const { fork } = require('child_process');

const forked = fork('child.js');

forked.send({
  cmd: "NODE_foo",
  hello: 'world'
});
复制代码

当发送的消息里面包含cmd属性,并且属性的值是以NODE_开头的话,这样的消息是提供给Node.js本身保留使用的,因此并不会发出message事件,而是会发出internalMessage事件,开发者应该避免这种类型的消息,并且应当避免监听internalMessage事件。

message除了发送字符串、object之外还支持发送server对象和socket对象,正因为支持socket对象才可以做到多个Node.js进程监听相同的端口号。

未完待续......

参考资料

medium.freecodecamp.org/node-js-chi…

nodejs.org/dist/latest…

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