各位观众老爷，欢迎来到今天的“榨干CPU最后一滴血”大型技术讲座！今天咱们不聊虚的，直接上干货，教大家怎么用 Cluster Module 和 Worker Threads 这哥俩，把你的 Node.js 应用武装到牙齿，让它在多核 CPU 上跑得飞起，并发请求再也不怕！
开场白：CPU，并发，和Node.js的爱恨情仇
话说，现代 CPU 动不动就是8核、16核，甚至更多。咱们写代码，要是只能让一个核干活，那岂不是暴殄天物？Node.js 默认是单线程的，这意味着，如果没有特殊处理，你的服务器再牛逼，也只能在一个 CPU 核心上蹦跶。这就像你开着一辆法拉利，却只能在乡间小路上慢慢爬，你说憋不憋屈？
但别怕！Node.js 早就准备好了两把神器：Cluster Module 和 Worker Threads，它们能让你的 Node.js 应用变身成多线程猛兽，充分利用所有 CPU 核心，轻松应对高并发！
第一章：Cluster Module：进程级别的复制粘贴大法
Cluster Module 的核心思想很简单：复制！它能把你的主进程复制成多个子进程（worker process），每个子进程都独立运行，监听同一个端口，共同处理客户端请求。这就像克隆了多个你，大家一起干活，效率自然嗖嗖往上涨！
1.1 快速上手：Hello, Cluster!
咱们先来个最简单的例子，让你感受一下 Cluster Module 的魔力：
const cluster = require('cluster');
const http = require('http');
const os = require('os');
const numCPUs = os.cpus().length; // 获取 CPU 核心数
if (cluster.isMaster) {
// 这是主进程
console.log(`主进程 ${process.pid} 正在运行`);
// 衍生 worker 进程
for (let i = 0; i < numCPUs; i++) {
cluster.fork();
}
cluster.on('exit', (worker, code, signal) => {
console.log(`工作进程 ${worker.process.pid} 退出`);
// 如果worker 意外退出，可以重新启动
cluster.fork();
});
} else {
// 这是 worker 进程
http.createServer((req, res) => {
res.writeHead(200);
res.end(`你好世界！我是工作进程 ${process.pid}`);
}).listen(8000);
console.log(`工作进程 ${process.pid} 已启动`);
}这段代码做了什么呢？
- 获取 CPU 核心数：
os.cpus().length告诉你电脑有几个 CPU 核心，咱们就创建几个 worker 进程。 - 判断是否是主进程：
cluster.isMaster判断当前进程是不是主进程。主进程负责管理 worker 进程，worker 进程负责处理请求。 - 衍生 worker 进程：
cluster.fork()会创建一个新的 worker 进程，并运行相同的代码。 - 监听 worker 进程退出：
cluster.on('exit', ...)监听 worker 进程的退出事件，如果 worker 进程挂了，就自动重启一个新的。 - 创建 HTTP 服务器： worker 进程负责创建 HTTP 服务器，监听 8000 端口，处理客户端请求。
运行这段代码，你会发现启动了多个 Node.js 进程，每个进程都在处理请求。你的 CPU 利用率瞬间就上去了！
1.2 深入剖析：Cluster Module 的工作原理
Cluster Module 的核心是 Master-Worker 模型。主进程负责管理和调度，worker 进程负责干活。
- 主进程 (Master Process)：
- 负责创建和管理 worker 进程。
- 监听 worker 进程的退出事件，保证服务的稳定性。
- 可以使用负载均衡算法，将请求分发给不同的 worker 进程 (默认是 Round-Robin 算法)。
- Worker 进程 (Worker Process)：
- 独立运行，监听同一个端口。
- 处理客户端请求，并将结果返回给客户端。
Cluster Module 使用 IPC (Inter-Process Communication) 机制，让主进程和 worker 进程之间可以互相通信。
1.3 高级技巧：负载均衡和共享状态
- 负载均衡：
Cluster Module默认使用 Round-Robin 算法进行负载均衡，也就是轮流将请求分配给不同的 worker 进程。你也可以自定义负载均衡算法，实现更灵活的请求分发。 - 共享状态： 由于每个 worker 进程都是独立的，它们之间不能直接共享内存。如果你需要在 worker 进程之间共享状态，可以使用以下方法：
- 外部存储： 使用 Redis、Memcached 等外部存储系统，让 worker 进程共享数据。
- 消息队列： 使用 RabbitMQ、Kafka 等消息队列，让 worker 进程通过消息传递来共享状态。
- Cluster Module 的 IPC： 通过
cluster.worker.send()和process.on('message', ...)在主进程和 worker 进程之间传递消息。
1.4 注意事项：Cluster Module 的坑
- 调试困难： 由于
Cluster Module启动了多个进程，调试起来比较麻烦。你可以使用node --inspect命令来调试 worker 进程。 - 状态管理： 在 worker 进程之间共享状态比较复杂，需要仔细设计。
- 内存占用： 每个 worker 进程都会占用一定的内存，如果 worker 进程数量过多，可能会导致内存不足。
第二章：Worker Threads：线程级别的精耕细作
Worker Threads 是 Node.js v10.5.0 引入的模块，它允许你在 Node.js 中创建真正的多线程。与 Cluster Module 相比，Worker Threads 的粒度更细，它可以让你在同一个进程中并行执行多个任务。
2.1 快速上手：Hello, Worker Thread!
咱们也来个简单的例子，让你感受一下 Worker Threads 的威力：
const { Worker, isMainThread, parentPort, workerData } = require('worker_threads');
if (isMainThread) {
// 这是主线程
console.log('主线程');
const worker = new Worker(__filename, {
workerData: { value: 10 }
});
worker.on('message', (message) => {
console.log(`主线程接收到消息：${message}`);
});
worker.on('exit', (code) => {
console.log(`工作线程退出，退出码：${code}`);
});
worker.postMessage('你好，工作线程！');
} else {
// 这是工作线程
console.log('工作线程');
// 接收主线程传递的数据
const { value } = workerData;
console.log(`工作线程接收到 workerData：${value}`);
// 监听主线程发来的消息
parentPort.on('message', (message) => {
console.log(`工作线程接收到消息：${message}`);
parentPort.postMessage('你好，主线程！');
});
// 执行一些耗时操作
let result = 0;
for (let i = 0; i < value * 100000000; i++) {
result++;
}
console.log(`计算结果：${result}`);
parentPort.postMessage(`计算结果：${result}`);
}这段代码做了什么呢？
- 判断是否是主线程：
isMainThread判断当前线程是不是主线程。主线程负责创建和管理 worker 线程，worker 线程负责执行任务。 - 创建 worker 线程：
new Worker(__filename, ...)会创建一个新的 worker 线程，并运行相同的代码。workerData可以用来向 worker 线程传递数据。 - 监听 worker 线程发来的消息：
worker.on('message', ...)监听 worker 线程发来的消息。 - 监听 worker 线程退出：
worker.on('exit', ...)监听 worker 线程的退出事件。 - 向 worker 线程发送消息：
worker.postMessage(...)向 worker 线程发送消息。 - 在 worker 线程中接收主线程传递的数据：
workerData包含了主线程传递的数据。 - 在 worker 线程中监听主线程发来的消息：
parentPort.on('message', ...)监听主线程发来的消息。 - 在 worker 线程中向主线程发送消息：
parentPort.postMessage(...)向主线程发送消息。 - 执行一些耗时操作： worker 线程负责执行一些耗时操作，防止阻塞主线程。
运行这段代码，你会发现主线程和 worker 线程同时运行，worker 线程在后台执行耗时操作，不会阻塞主线程的事件循环。
2.2 深入剖析：Worker Threads 的工作原理
Worker Threads 的核心是 Shared Memory。主线程和 worker 线程可以共享同一块内存区域，从而实现高效的数据共享。
- 主线程 (Main Thread)：
- 负责创建和管理 worker 线程。
- 与 worker 线程通过消息传递和共享内存进行通信。
- Worker 线程 (Worker Thread)：
- 独立运行，执行耗时或阻塞的任务。
- 与主线程通过消息传递和共享内存进行通信。
Worker Threads 使用 Message Passing 和 Shared Memory 两种机制进行通信。
- Message Passing： 主线程和 worker 线程可以通过
postMessage()和on('message', ...)进行消息传递。这种方式适用于传递少量数据。 - Shared Memory： 主线程和 worker 线程可以共享同一块内存区域，从而实现高效的数据共享。你可以使用
SharedArrayBuffer和AtomicsAPI 来操作共享内存。
2.3 高级技巧：共享内存和原子操作
- SharedArrayBuffer：
SharedArrayBuffer是一个可以被多个 worker 线程共享的内存区域。你可以使用SharedArrayBuffer来存储数据，并在不同的 worker 线程中进行读写操作。 - Atomics：
AtomicsAPI 提供了一系列原子操作，可以保证在多个 worker 线程同时访问共享内存时的数据一致性。
2.4 注意事项：Worker Threads 的坑
- 调试困难： 与
Cluster Module类似，Worker Threads的调试也比较麻烦。 - 数据同步： 在多个 worker 线程同时访问共享内存时，需要 carefully 处理数据同步问题，防止出现 race condition。
- 性能开销： 创建和管理 worker 线程会带来一定的性能开销，需要根据实际情况进行权衡。
第三章：Cluster vs. Worker Threads：选哪个？
Cluster Module 和 Worker Threads 都是解决 Node.js 单线程问题的利器，但它们的应用场景有所不同。
| 特性 | Cluster Module | Worker Threads |
|---|---|---|
| 进程/线程 | 多进程 | 多线程 |
| 内存共享 | 不共享 (需要 IPC 或外部存储) | 共享 (SharedArrayBuffer) |
| 适用场景 | CPU 密集型和 I/O 密集型应用 | CPU 密集型应用，需要细粒度控制 |
| 资源占用 | 较高 (每个进程占用独立内存) | 较低 (线程共享进程内存) |
| 调试难度 | 较高 | 较高 |
| 适用 Node.js版本 | 所有 | v10.5.0+ |
简单来说：
Cluster Module适合：- 需要充分利用多核 CPU 的 I/O 密集型应用 (例如 Web 服务器)。
- 对稳定性要求较高，希望 worker 进程自动重启。
- 对内存占用不敏感。
Worker Threads适合：- 需要执行 CPU 密集型任务，防止阻塞主线程。
- 需要在多个线程之间共享数据。
- 对性能要求较高，希望减少资源占用。
总结：
- 如果你想让你的 Node.js 应用充分利用多核 CPU，提高并发处理能力，
Cluster Module和Worker Threads都是不错的选择。 Cluster Module更适合 I/O 密集型应用，Worker Threads更适合 CPU 密集型应用。- 在选择之前，仔细评估你的应用场景，权衡各种因素，选择最适合你的方案。
结尾：榨干CPU，从我做起！
今天的讲座就到这里了。希望大家通过今天的学习，能够掌握 Cluster Module 和 Worker Threads 这两把利器，让你的 Node.js 应用跑得更快，更稳定，更高效！记住，榨干 CPU 的最后一滴血，是我们程序员的使命！感谢大家的观看，下次再见！