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深入浅析Node.js中创建子进程的方法

转载2021-10-12 10:05:480911
本篇文章带大家了解一下Node.js中的子进程,介绍一下Node.js中创建子进程的四种方法,希望对大家有所帮助!

众所周知,Node.js 是单线程、异步非阻塞的程序语言,那如何充分利用多核 CPU 的优势呢?这就需要用到 child_process 模块来创建子进程了,在 Node.js 中,有四种方法可以创建子进程:

  • exec

  • execFile

  • spawn

  • fork

【推荐学习:《nodejs 教程》】

上面四个方法都会返回 ChildProcess 实例(继承自 EventEmitter),该实例拥有三个标准的 stdio 流:

  • child.stdin

  • child.stdout

  • child.stderr

子进程生命周期内可以注册监听的事件有:

exit:子进程结束时触发,参数为 code 错误码和 signal 中断信号。

close:子进程结束并且 stdio 流被关闭时触发,参数同 exit 事件。

disconnect:父进程调用 child.disconnect() 或子进程调用 process.disconnect() 时触发。

error:子进程无法创建、或无法被杀掉、或发消息给子进程失败时触发。

message:子进程通过 process.send() 发送消息时触发。

spawn:子进程创建成功时触发(Node.js v15.1版本才添加此事件)。

execexecFile 方法还额外提供了一个回调函数,会在子进程终止的时候触发。接下来进行详细分析:

exec

exec 方法用于执行 bash 命令,它的参数是一个命令字符串。例如统计当前目录下的文件数量,用 exec 函数的写法为:

const { exec } = require("child_process")
exec("find . -type f | wc -l", (err, stdout, stderr) => {
  if (err) return console.error(`exec error: ${err}`)
  console.log(`Number of files ${stdout}`)
})

exec 会新建一个子进程,然后缓存它的运行结果,运行结束后调用回调函数。

可能你已经想到了,exec 命令是比较危险的,假如把用户提供的字符串作为 exec 函数的参数,会面临命令行注入的风险,例如:

find . -type f | wc -l; rm -rf /;

另外,由于 exec 会在内存中缓存全部的输出结果,当数据比较大的时候,spawn 会是更好的选择。

execFile

execFile 和 exec 的区别在于它并不会创建 shell,而是直接执行命令,所以会更高效一点,例如:

const { execFile } = require("child_process")
const child = execFile("node", ["--version"], (error, stdout, stderr) => {
  if (error) throw error
  console.log(stdout)
})

由于没有创建 shell,程序的参数作为数组传入,因此具有较高的安全性。

spawn

spawn 函数和 execFile 类似,默认不开启 shell,但区别在于 execFile 会缓存命令行的输出,然后把结果传入回调函数中,而 spawn 则是以流的方式输出,有了流,就能非常方便的对接输入和输出了,例如典型的 wc 命令:

const child = spawn("wc")
process.stdin.pipe(child.stdin)
child.stdout.on("data", data => {
  console.log(`child stdout:\n${data}`)
})

此时就会从命令行 stdin 获取输入,当用户触发回车 + ctrl D 时就开始执行命令,并把结果从 stdout 输出。

wc 是 Word Count 的缩写,用于统计单词数,语法为:

wc [OPTION]... [FILE]...

如果在终端上输入 wc 命令并回车,这时候统计的是从键盘输入终端中的字符,再次按回车键,然后按 Ctrl + D 会输出统计的结果。

通过管道还可以组合复杂的命令,例如统计当前目录下的文件数量,在 Linux 命令行中会这么写:

find . -type f | wc -l

在 Node.js 中的写法和命令行一模一样:

const find = spawn("find", [".", "-type", "f"])
const wc = spawn("wc", ["-l"])
find.stdout.pipe(wc.stdin)
wc.stdout.on("data", (data) => {
  console.log(`Number of files ${data}`)
})

spawn 有丰富的自定义配置,例如:

const child = spawn("find . -type f | wc -l", {
  stdio: "inherit", // 继承父进程的输入输出流
  shell: true, // 开启命令行模式
  cwd: "/Users/keliq/code", // 指定执行目录
  env: { ANSWER: 42 }, // 指定环境变量(默认是 process.env)
  detached: true, // 作为独立进程存在
})

fork

fork 函数是 spawn 函数的变体,使用 fork 创建的子进程和父进程之间会自动创建一个通信通道,子进程的全局对象 process 上面会挂载 send 方法。例如父进程 parent.js 代码:

const { fork } = require("child_process")
const forked = fork("./child.js")

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

forked.send({ hello: "world" })

子进程 child.js 代码:

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

let counter = 0
setInterval(() => {
  process.send({ counter: counter++ })
}, 1000)

当调用 fork("child.js")的时候,实际上就是用 node 来执行该文件中的代码,相当于 spawn('node', ['./child.js'])

fork 的一个典型的应用场景如下:假如现在用 Node.js 创建一个 http 服务,当路由为 compute 的时候,执行一个耗时的运算。

const http = require("http")
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);

可以用下面的代码来模拟该耗时的运算:

const longComputation = () => {
  let sum = 0;
  for (let i = 0; i < 1e9; i++) {
    sum += i
  }
  return sum
}

那么在上线后,只要服务端收到了 compute 请求,由于 Node.js 是单线程的,耗时运算占用了 CPU,用户的其他请求都会阻塞在这里,表现出来的现象就是服务器无响应。

解决这个问题最简单的方法就是把耗时运算放到子进程中去处理,例如创建一个 compute.js 的文件,代码如下:

const longComputation = () => {
  let sum = 0;
  for (let i = 0; i < 1e9; i++) {
    sum += i;
  }
  return sum
}

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

再把服务端的代码稍作改造:

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)

这样的话,主线程就不会阻塞,而是继续处理其他的请求,当耗时运算的结果返回后,再做出响应。其实更简单的处理方式是利用 cluster 模块,限于篇幅原因,后面再展开讲。

总结

掌握了上面四种创建子进程的方法之后,总结了以下三条规律:

  • 创建 node 子进程用 fork,因为自带通道方便通信。
  • 创建非 node 子进程用 execFile 或 spawn。如果输出内容较少用 execFile,会缓存结果并传给回调方便处理;如果输出内容多用 spawn,使用流的方式不会占用大量内存。
  • 执行复杂的、固定的终端命令用 exec,写起来更方便。但一定要记住 exec 会创建 shell,效率不如 execFile 和 spawn,且存在命令行注入的风险。

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