各位观众老爷，大家好！我是你们的老朋友，今天咱们聊聊Node.js里一个很有意思的模块——cluster，以及它在负载均衡中扮演的角色。说白了，就是教大家怎么用Node.js实现“人多力量大”。
开场白：单打独斗的Node.js vs. 组团作战的Node.js
咱们先想想，如果你的Node.js服务器每天要处理成千上万的请求，只有一个Node.js进程在那儿吭哧吭哧地干活，那场景是不是有点惨？就像一个快递员，每天要送几百个包裹，最后累趴下。
Node.js本身是单线程的，这意味着同一时间只能处理一个任务。虽然它可以通过异步I/O来提高效率，但如果CPU密集型的任务太多，单线程的瓶颈就会显现出来。这时候，cluster模块就派上用场了。
cluster模块允许你创建多个Node.js进程，它们共享同一个服务器端口。这意味着，你可以让多个“快递员”同时送包裹，大大提高了服务器的吞吐量和可用性。这就是所谓的“Master-Worker”模型。
什么是Master-Worker模型？
Master-Worker模型是一种常见的并行计算模式。在这个模型中，有一个“Master”进程负责任务的分配和管理，而有多个“Worker”进程负责执行具体的任务。
- Master进程（主进程）： 负责监听端口，接收连接请求，并将请求分发给Worker进程。它也负责监控Worker进程的健康状况，并在Worker进程崩溃时重新启动。
- Worker进程（工作进程）： 负责处理Master进程分配的任务。它们可以执行任何Node.js代码，例如处理HTTP请求、访问数据库等。
cluster模块的基本用法
cluster模块的使用非常简单。首先，你需要引入cluster模块：
const cluster = require('cluster');
const os = require('os');
const http = require('http');
const numCPUs = os.cpus().length; // 获取CPU核心数然后，你需要判断当前进程是Master进程还是Worker进程：
if (cluster.isMaster) {
// Master进程的逻辑
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`);
console.log('重新启动一个工作进程');
cluster.fork(); // 如果Worker进程崩溃，重新启动
});
} else {
// Worker进程的逻辑
// 创建一个 HTTP 服务器
http.createServer((req, res) => {
res.writeHead(200);
res.end(`你好世界！我是进程 ${process.pid}n`);
}).listen(8000);
console.log(`工作进程 ${process.pid} 已启动`);
}这段代码的意思是：
- 如果当前进程是Master进程，则打印一条消息，并根据CPU核心数创建多个Worker进程。
- 如果当前进程是Worker进程，则创建一个HTTP服务器，监听8000端口，并处理HTTP请求。
代码解释：
cluster.isMaster：判断当前进程是否是Master进程。cluster.fork()：创建一个新的Worker进程。cluster.on('exit', ...)：监听Worker进程的退出事件。如果Worker进程崩溃，则重新启动一个新的Worker进程。process.pid：获取当前进程的ID。
负载均衡：cluster模块的拿手好戏
cluster模块的默认负载均衡策略是“round-robin”（轮询）。这意味着，Master进程会将请求依次分发给每个Worker进程。
例如，如果有3个Worker进程，那么第一个请求会分发给第一个Worker进程，第二个请求会分发给第二个Worker进程，第三个请求会分发给第三个Worker进程，第四个请求会再次分发给第一个Worker进程，以此类推。
为什么使用轮询？
轮询算法实现简单，而且可以保证每个Worker进程都能得到公平的处理机会。但是，轮询算法也有一些缺点。例如，如果某个Worker进程处理请求的速度比较慢，那么它可能会成为瓶颈，导致整个系统的性能下降。
改进负载均衡：自定义负载均衡策略
如果你对轮询算法不满意，你可以使用其他的负载均衡策略。cluster模块提供了一个setupMaster()方法，可以让你自定义Master进程的行为。
例如，你可以使用“least-connections”（最少连接数）策略，将请求分发给当前连接数最少的Worker进程。
if (cluster.isMaster) {
console.log(`主进程 ${process.pid} 正在运行`);
cluster.setupMaster({
exec: __filename, // 指定 Worker 进程的入口文件
args: [], // 传递给 Worker 进程的参数
silent: false // 是否静默输出 Worker 进程的日志
});
let workers = [];
for (let i = 0; i < numCPUs; i++) {
workers.push(cluster.fork());
}
// 监听工作进程的在线状态
cluster.on('online', (worker) => {
console.log('工作进程 ' + worker.process.pid + ' 已在线');
});
cluster.on('exit', (worker, code, signal) => {
console.log(`工作进程 ${worker.process.pid} 退出`);
console.log('重新启动一个工作进程');
const newWorker = cluster.fork();
workers[workers.indexOf(worker)] = newWorker; // 更新 workers 数组
});
// 自定义负载均衡策略 (简化的例子，实际应用中需要更复杂的逻辑)
function distributeRequest(req, res) {
let minConnections = Infinity;
let bestWorker = null;
for (const worker of workers) {
if (worker.isConnected() && worker.worker.connections < minConnections) {
minConnections = worker.worker.connections; // 需要某种方式让 Master 知道 Worker 的连接数，这里只是一个概念
bestWorker = worker;
}
}
if (bestWorker) {
// 将请求转发给 bestWorker (需要使用 IPC 通信)
// 实际应用中，需要使用代理服务器或者 IPC 机制来实现请求转发
console.log(`将请求转发给工作进程 ${bestWorker.process.pid}`);
// bestWorker.send({ type: 'request', req, res }); // 使用 IPC 发送请求
res.writeHead(200);
res.end(`请求正在转发给进程 ${bestWorker.process.pid}n`);
} else {
res.writeHead(503); // Service Unavailable
res.end('所有工作进程都不可用n');
}
}
// 创建一个简单的 HTTP 服务器 (只用于演示 Master 进程如何处理请求)
http.createServer((req, res) => {
distributeRequest(req, res);
}).listen(8000);
} else {
// Worker进程的逻辑
let connections = 0; // 记录当前连接数
http.createServer((req, res) => {
connections++;
console.log(`进程 ${process.pid} 正在处理请求，连接数: ${connections}`);
res.writeHead(200);
res.end(`你好世界！我是进程 ${process.pid}n`);
connections--;
}).listen(0); // 监听随机端口
// 监听 Master 进程发送的消息
process.on('message', (message) => {
if (message.type === 'request') {
// 处理 Master 进程转发的请求
console.log(`进程 ${process.pid} 接收到 Master 进程转发的请求`);
// message.res.writeHead(200);
// message.res.end(`你好世界！我是进程 ${process.pid} (通过 Master 转发)n`);
}
});
console.log(`工作进程 ${process.pid} 已启动`);
}代码解释：
cluster.setupMaster()：配置Master进程的行为。exec：指定Worker进程的入口文件。args：传递给Worker进程的参数。silent：是否静默输出Worker进程的日志。
distributeRequest()：自定义的负载均衡策略。worker.isConnected(): 检查 Worker 进程是否仍然连接。worker.worker.connections: (模拟) 获取 Worker 进程的连接数。实际应用中，你需要通过某种方式让 Master 知道 Worker 的连接数，例如通过 IPC 通信。bestWorker.send({ type: 'request', req, res }): (模拟) 将请求转发给最佳 Worker 进程。 实际应用中，你需要使用代理服务器或者 IPC 机制来实现请求转发。
注意：
这个例子只是一个简化的演示。在实际应用中，你需要使用更复杂的逻辑来实现自定义负载均衡策略。例如，你需要考虑Worker进程的CPU利用率、内存使用情况、网络延迟等因素。
使用IPC进行进程间通信
Master进程和Worker进程之间可以使用IPC（Inter-Process Communication，进程间通信）进行通信。cluster模块提供了一个worker.send()方法，可以让你从Master进程向Worker进程发送消息。Worker进程可以使用process.on('message', ...)来监听Master进程发送的消息。
例如，你可以让Worker进程定期向Master进程发送心跳消息，以便Master进程可以监控Worker进程的健康状况。
// Master进程
if (cluster.isMaster) {
// ...
cluster.on('message', (worker, message) => {
if (message.type === 'heartbeat') {
console.log(`工作进程 ${worker.process.pid} 心跳: ${message.timestamp}`);
}
});
// ...
} else {
// Worker进程
setInterval(() => {
process.send({ type: 'heartbeat', timestamp: Date.now() });
}, 5000); // 每 5 秒发送一次心跳消息
}代码解释：
worker.send()：从Master进程向Worker进程发送消息。process.send()：从Worker进程向Master进程发送消息。process.on('message', ...)：监听Master进程发送的消息。
cluster模块的优点和缺点
优点：
- 提高服务器的吞吐量和可用性。
- 充分利用多核CPU的资源。
- 简化了负载均衡的实现。
缺点：
- 增加了代码的复杂性。
- 需要考虑进程间通信的问题。
- 可能导致资源浪费（如果Worker进程的数量过多）。
cluster模块的应用场景
cluster模块非常适合用于以下场景：
- 需要处理大量并发请求的Web服务器。
- 需要执行CPU密集型任务的应用程序。
- 需要提高服务器可用性的应用程序。
总结：cluster模块，让你的Node.js飞起来
cluster模块是Node.js中一个非常强大的模块，它可以让你轻松地实现多进程并发，提高服务器的性能和可用性。虽然使用cluster模块会增加代码的复杂性，但只要你掌握了它的基本用法和原理，就可以在实际应用中发挥它的巨大潜力。
最后，记住一点：cluster模块不是万能的。在选择使用cluster模块之前，你需要仔细评估你的应用程序的需求，并权衡它的优点和缺点。 别一股脑的全上，量力而行最重要。
好了，今天的讲座就到这里。 感谢各位的捧场，希望大家有所收获！下次有机会再见！