深入理解Node.js中的Worker线程

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概述

多年以来，Node.js都不是实现高 CPU 密集型应用的最佳选择，这主要就是因为JavaScript的单线程。作为对此问题的解决方案，Node.jsv10.5.0 通过worker_threads模块引入了实验性的 “worker 线程” 概念，并从 Node.js v12 LTS 起成为一个稳定功能。本文将解释其如何工作，以及如何使用 Worker 线程获得最佳性能。

Node.js 中 CPU 密集型应用的历史

在 worker 线程之前，Node.js 中有多种方式执行 CPU 密集型应用。其中的一些为：

使用child_process模块并在一个子进程中运行 CPU 密集型代码
使用cluster模块，在多个进程中运行多个 CPU 密集型操作
使用诸如 Microsoft 的Napa.js这样的第三方模块

但是受限于性能、额外引入的复杂性、占有率低、薄弱的文档化等，这些解决方案无一被广泛采用。

为 CPU 密集型操作使用 worker 线程

尽管对于JavaScript的并发性问题来说，worker_threads是一个优雅的解决方案，但其并未给 JavaScript 本身带来多线程特性。相反，worker_threads通过运行应用使用多个相互隔离的 JavaScript workers 来实现并发，而 workers 和父 worker 之间的通信由 Node 提供。听懵了吗？ ‍♂️

在 Node.js 中，每一个 worker 将拥有其自己的 V8 实例及事件循环（Event Loop）。但和child_process不同的是，workers 不共享内存。

以上概念会在后面解释。我们首先来大致看一眼如何使用 Worker 线程。一个原生的用例看起来是这样的：

// worker-simple.js

const {Worker, isMainThread, parentPort, workerData} = require('worker_threads');
if (isMainThread) {
 const worker = new Worker(__filename, {workerData: {num: 5}});
 worker.once('message', (result) => {
 console.log('square of 5 is :', result);
 })
} else {
 parentPort.postMessage(workerData.num * workerData.num)
}

在上例中，我们向每个单独的 workder 中传入了一个数字以计算其平方值。在计算之后，子 worker 将结果发送回主 worker 线程。尽管看上去简单，但 Node.js 新手可能还是会有点困惑。

Worker 线程是如何工作的？

JavaScript 语言没有多线程特性。因此，Node.js 的 Worker 线程以一种异于许多其它高级语言传统多线程的方式行事。

在 Node.js 中，一个 worker 的职责就是去执行一段父 worker 提供的代码（worker 脚本）。这段 worker 脚本将会在隔绝于其它 workers 的环境中运行，并能够在其自身和父 worker 间传递消息。worker 脚本既可以是一个独立的文件，也可以是一段可被eval解析的文本格式的脚本。在我们的例子中，我们将__filename作为 worker 脚本，因为父 worker 和子 worker 代码都在同一个脚本文件中，由isMainThread属性决定其角色。

每个 worker 通过message channel连接到其父 worker。子 worker 可以使用parentPort.postMessage()函数向消息通道中写入信息，父 worker 则通过调用 worker 实例上的worker.postMessage()函数向消息通道中写入信息。看一下图 1:

一个 Message Channel 就是一个简单的通信渠道，其两端被称作 ‘ports'。在 JavaScript/NodeJS 术语中，一个 Message Channel 的两端就被叫做port1和port2

Node.js 的 workers 是如何并行的？

现在关键的问题来了，JavaScript 并不直接提供并发，那么两个 Node.js workers 要如何并行呢？答案就是V8 isolate。

一个V8 isolate就是 chrome V8 runtime 的一个单独实例，包含自有的 JS 堆和一个微任务队列。这允许了每个 Node.js worker 完全隔离于其它 workers 地运行其 JavaScript 代码。其缺点在于 worker 无法直接访问其它 workers 的堆数据了。

扩展阅读：JS在浏览器和Node下是如何工作的？

由此，每个 worker 将拥有其自己的一份独立于父 worker 和其它 workers 的 libuv 事件循环的拷贝。

跨越 JS/C++ 的边界

实例化一个新 worker、提供和父级/同级 JS 脚本的通信，都是由 C++ 实现版本的 worker 完成的。在成文时，该实现为worker.cc(https://github.com/nodejs/node/blob/921493e228/src/node_worker.cc)。

Worker 的实现通过worker_threads模块被暴露为用户级的 JavaScript 脚本。该 JS 实现被分割为两个脚本，我将之称为：

初始化脚本 worker.js— 负责初始化 worker 实例，并建立初次父子 worker 通信，以确保从父 worker 传递 worker 元数据至子 worker。(https://github.com/nodejs/node/blob/921493e228/lib/internal/worker.js)
执行脚本 worker_thread.js— 根据用户提供的workerData数据和其它父 worker 提供的元数据执行用户的 worker JS 脚本。(https://github.com/nodejs/node/blob/921493e228/lib/internal/main/worker_thread.js)

图 2 以更清晰的方式解释了这个过程：

基于上述，我们可以将 worker 设置过程划分为两个阶段：

worker 初始化
运行 worker

来看看每个阶段都发生了什么吧：

初始化步骤

1.用户级脚本通过使用worker_threads创建一个 worker 实例

2.Node 的父 worker 初始化脚本调用 C++ 并创建一个空的 worker 对象。此时，被创建的 worker 还只是个未被启动的简单的 C++ 对象

3.当 C++ worker 对象被创建后，其生成一个线程 ID 并赋值给自身

4.同时，一个空的初始化消息通道（让我们称之为IMC）被父 worker 创建。图 2 中灰色的 “Initialisation Message Channel” 部分展示了这点

5.一个公开的 JS 消息通道（称其为PMC）被 worker 初始化脚本创建。该通道被用户级 JS 使用以在父子 worker 之间传递消息。图 1 中主要描述了这部分，也在图 2 中被标为了红色。

6.Node 父 worker 初始化脚本调用 C++ 并将需要被发送到 worker 执行脚本中的初始元数据写入IMC。

什么是初始元数据？即执行脚本需要了解以启动 worker 的数据，包括脚本名称、worker 数据、PMC 的port2，以及其它一些信息。

按我们的例子来说，初始化元数据如：

:phone: 嘿！worker 执行脚本，请你用{num: 5}这样的 worker 数据运行一下worker-simple.js好吗？也请你把 PMC 的port2传递给它，这样 worker 就能从 PMC 读取数据啦。

下面的小片段展示了初始化数据如何被写入 IMC：

const kPublicPort = Symbol('kPublicPort');
// ...

const { port1, port2 } = new MessageChannel();
this[kPublicPort] = port1;
this[kPublicPort].on('message', (message) => this.emit('message', message));
// ...

this[kPort].postMessage({
  type: 'loadScript',
  filename,
  doEval: !!options.eval,
  cwdCounter: cwdCounter || workerIo.sharedCwdCounter,
  workerData: options.workerData,
  publicPort: port2,
  // ...
  hasStdin: !!options.stdin
}, [port2]);

代码中的this[kPort]是初始化脚本中 IMC 的端点。尽管 worker 初始化脚本向 IMC 写入了数据，但 worker 执行脚本仍无法访问该数据。

运行步骤

此时，初始化已告一段落；接下来 worker 初始化脚本调用 C++ 并启动 worker 线程。

1.一个新的V8 isolate被创建并被分配给 worker。前面讲过，一个 “v8 isolate” 就是 chrome V8 runtime 的一个单独实例。这使得 worker 线程的执行上下文隔离于应用代码中的其它部分。

2.libuv被初始化。这确保了 worker 线程保有其自己独立于应用中的其它部分事件循环。

3.worker 执行脚本被执行，并且 worker 的事件循环被启动。

4.worker 执行脚本调用 C++ 并从 IMC 中读取初始化元数据。

5.worker 执行脚本执行对应文件或代码（在我们的例子中就是worker-simple.js），以作为一个 worker 开始运行。

看看下面的代码片段，worker 执行脚本是如何从 IMC 读取数据的：

const publicWorker = require('worker_threads');

// ...

port.on('message', (message) => {
  if (message.type === 'loadScript') {
    const {
      cwdCounter,
      filename,
      doEval,
      workerData,
      publicPort,
      manifestSrc,
      manifestURL,
      hasStdin
    } = message;

    // ...
    initializeCJSLoader();
    initializeESMLoader();
    
    publicWorker.parentPort = publicPort;
    publicWorker.workerData = workerData;

    // ...
    
    port.unref();
    port.postMessage({ type: UP_AND_RUNNING });
    if (doEval) {
      const { evalScript } = require('internal/process/execution');
      evalScript('[worker eval]', filename);
    } else {
      process.argv[1] = filename; // script filename
      require('module').runMain();
    }
  }
  // ...

是否注意到以上片段中的workerData和parentPort属性被指定给了publicWorker对象呢？后者是在 worker 执行脚本中由require('worker_threads')引入的。

这就是为何workerData和parentPort属性只在子 worker 线程内部可用，而在父 worker 的代码中不可用了。

如果尝试在父 worker 代码中访问这两个属性，都会返回null。