nodejs中使用worker_threads來創建新的線程的方法
簡介
之前的文章中提到瞭，nodejs中有兩種線程，一種是event loop用來相應用戶的請求和處理各種callback。另一種就是worker pool用來處理各種耗時操作。
nodejs的官網提到瞭一個能夠使用nodejs本地woker pool的lib叫做webworker-threads。
可惜的是webworker-threads的最後一次更新還是在2年前，而在最新的nodejs 12中，根本無法使用。
而webworker-threads的作者則推薦瞭一個新的lib叫做web-worker。
web-worker是構建於nodejs的worker_threads之上的，本文將會詳細講解worker_threads和web-worker的使用。
worker_threads
worker_threads模塊的源代碼源自lib/worker_threads.js，它指的是工作線程，可以開啟一個新的線程來並行執行javascript程序。
worker_threads主要用來處理CPU密集型操作,而不是IO操作，因為nodejs本身的異步IO已經非常強大瞭。
worker_threads中主要有5個屬性，3個class和3個主要的方法。接下來我們將會一一講解。
isMainThread
isMainThread用來判斷代碼是否在主線程中運行，我們看一個使用的例子：
const { Worker, isMainThread } = require('worker_threads');
if (isMainThread) {
console.log('在主線程中');
new Worker(__filename);
} else {
console.log('在工作線程中');
console.log(isMainThread); // 打印 'false'。
}
上面的例子中，我們從worker_threads模塊中引入瞭Worker和isMainThread，Worker就是工作線程的主類，我們將會在後面詳細講解，這裡我們使用Worker創建瞭一個工作線程。
MessageChannel
MessageChannel代表的是一個異步雙向通信channel。MessageChannel中沒有方法，主要通過MessageChannel來連接兩端的MessagePort。
class MessageChannel {
readonly port1: MessagePort;
readonly port2: MessagePort;
}
當我們使用new MessageChannel()的時候，會自動創建兩個MessagePort。
const { MessageChannel } = require('worker_threads');
const { port1, port2 } = new MessageChannel();
port1.on('message', (message) => console.log('received', message));
port2.postMessage({ foo: 'bar' });
// Prints: received { foo: 'bar' } from the `port1.on('message')` listener
通過MessageChannel，我們可以進行MessagePort間的通信。
parentPort和MessagePort
parentPort是一個MessagePort類型，parentPort主要用於worker線程和主線程進行消息交互。
通過parentPort.postMessage()發送的消息在主線程中將可以通過worker.on(‘message’)接收。
主線程中通過worker.postMessage()發送的消息將可以在工作線程中通過parentPort.on(‘message’)接收。
我們看一下MessagePort的定義：
class MessagePort extends EventEmitter {
close(): void;
postMessage(value: any, transferList?: Array<ArrayBuffer | MessagePort>): void;
ref(): void;
unref(): void;
start(): void;
addListener(event: "close", listener: () => void): this;
addListener(event: "message", listener: (value: any) => void): this;
addListener(event: string | symbol, listener: (...args: any[]) => void): this;
emit(event: "close"): boolean;
emit(event: "message", value: any): boolean;
emit(event: string | symbol, ...args: any[]): boolean;
on(event: "close", listener: () => void): this;
on(event: "message", listener: (value: any) => void): this;
on(event: string | symbol, listener: (...args: any[]) => void): this;
once(event: "close", listener: () => void): this;
once(event: "message", listener: (value: any) => void): this;
once(event: string | symbol, listener: (...args: any[]) => void): this;
prependListener(event: "close", listener: () => void): this;
prependListener(event: "message", listener: (value: any) => void): this;
prependListener(event: string | symbol, listener: (...args: any[]) => void): this;
prependOnceListener(event: "close", listener: () => void): this;
prependOnceListener(event: "message", listener: (value: any) => void): this;
prependOnceListener(event: string | symbol, listener: (...args: any[]) => void): this;
removeListener(event: "close", listener: () => void): this;
removeListener(event: "message", listener: (value: any) => void): this;
removeListener(event: string | symbol, listener: (...args: any[]) => void): this;
off(event: "close", listener: () => void): this;
off(event: "message", listener: (value: any) => void): this;
off(event: string | symbol, listener: (...args: any[]) => void): this;
}
MessagePort繼承自EventEmitter，它表示的是異步雙向通信channel的一端。這個channel就叫做MessageChannel，MessagePort通過MessageChannel來進行通信。
我們可以通過MessagePort來傳輸結構體數據，內存區域或者其他的MessagePorts。
從源代碼中，我們可以看到MessagePort中有兩個事件，close和message。
close事件將會在channel的中任何一端斷開連接的時候觸發，而message事件將會在port.postMessage時候觸發，下面我們看一個例子：
const { MessageChannel } = require('worker_threads');
const { port1, port2 } = new MessageChannel();
// Prints:
// foobar
// closed!
port2.on('message', (message) => console.log(message));
port2.on('close', () => console.log('closed!'));
port1.postMessage('foobar');
port1.close();
port.on(‘message’)實際上為message事件添加瞭一個listener，port還提供瞭addListener方法來手動添加listener。
port.on(‘message’)會自動觸發port.start(）方法，表示啟動一個port。
當port有listener存在的時候，這表示port存在一個ref，當存在ref的時候，程序是不會結束的。我們可以通過調用port.unref方法來取消這個ref。
接下來我們看一下怎麼通過port來傳輸消息：
port.postMessage(value[, transferList])
postMessage可以接受兩個參數，第一個參數是value，這是一個JavaScript對象。第二個參數是transferList。
先看一個傳遞一個參數的情況：
const { MessageChannel } = require('worker_threads');
const { port1, port2 } = new MessageChannel();
port1.on('message', (message) => console.log(message));
const circularData = {};
circularData.foo = circularData;
// Prints: { foo: [Circular] }
port2.postMessage(circularData);
通常來說postMessage發送的對象都是value的拷貝，但是如果你指定瞭transferList，那麼在transferList中的對象將會被transfer到channel的接受端，並且不再存在於發送端，就好像把對象傳送出去一樣。
transferList是一個list，list中的對象可以是ArrayBuffer, MessagePort 和 FileHandle。
如果value中包含SharedArrayBuffer對象，那麼該對象不能被包含在transferList中。
看一個包含兩個參數的例子：
const { MessageChannel } = require('worker_threads');
const { port1, port2 } = new MessageChannel();
port1.on('message', (message) => console.log(message));
const uint8Array = new Uint8Array([ 1, 2, 3, 4 ]);
// post uint8Array的拷貝:
port2.postMessage(uint8Array);
port2.postMessage(uint8Array, [ uint8Array.buffer ]);
//port2.postMessage(uint8Array);
上面的例子將輸出：
Uint8Array(4) [ 1, 2, 3, 4 ]
Uint8Array(4) [ 1, 2, 3, 4 ]
第一個postMessage是拷貝，第二個postMessage是transfer Uint8Array底層的buffer。
如果我們再次調用port2.postMessage(uint8Array)，我們會得到下面的錯誤：
DOMException [DataCloneError]: An ArrayBuffer is detached and could not be cloned.
buffer是TypedArray的底層存儲結構，如果buffer被transfer，那麼之前的TypedArray將會變得不可用。
markAsUntransferable
要想避免這個問題，我們可以調用markAsUntransferable將buffer標記為不可transferable. 我們看一個markAsUntransferable的例子：
const { MessageChannel, markAsUntransferable } = require('worker_threads');
const pooledBuffer = new ArrayBuffer(8);
const typedArray1 = new Uint8Array(pooledBuffer);
const typedArray2 = new Float64Array(pooledBuffer);
markAsUntransferable(pooledBuffer);
const { port1 } = new MessageChannel();
port1.postMessage(typedArray1, [ typedArray1.buffer ]);
console.log(typedArray1);
console.log(typedArray2);
SHARE_ENV
SHARE_ENV是傳遞給worker構造函數的一個env變量，通過設置這個變量，我們可以在主線程與工作線程進行共享環境變量的讀寫。
const { Worker, SHARE_ENV } = require('worker_threads');
new Worker('process.env.SET_IN_WORKER = "foo"', { eval: true, env: SHARE_ENV })
.on('exit', () => {
console.log(process.env.SET_IN_WORKER); // Prints 'foo'.
});
workerData
除瞭postMessage()，還可以通過在主線程中傳遞workerData給worker的構造函數，從而將主線程中的數據傳遞給worker：
const { Worker, isMainThread, workerData } = require('worker_threads');
if (isMainThread) {
const worker = new Worker(__filename, { workerData: 'Hello, world!' });
} else {
console.log(workerData); // Prints 'Hello, world!'.
}
worker類
先看一下worker的定義：
class Worker extends EventEmitter {
readonly stdin: Writable | null;
readonly stdout: Readable;
readonly stderr: Readable;
readonly threadId: number;
readonly resourceLimits?: ResourceLimits;
constructor(filename: string | URL, options?: WorkerOptions);
postMessage(value: any, transferList?: Array<ArrayBuffer | MessagePort>): void;
ref(): void;
unref(): void;
terminate(): Promise<number>;
getHeapSnapshot(): Promise<Readable>;
addListener(event: "error", listener: (err: Error) => void): this;
addListener(event: "exit", listener: (exitCode: number) => void): this;
addListener(event: "message", listener: (value: any) => void): this;
addListener(event: "online", listener: () => void): this;
addListener(event: string | symbol, listener: (...args: any[]) => void): this;
...
}
worker繼承自EventEmitter，並且包含瞭4個重要的事件：error，exit，message和online。
worker表示的是一個獨立的 JavaScript 執行線程，我們可以通過傳遞filename或者URL來構造worker。
每一個worker都有一對內置的MessagePort，在worker創建的時候就會相互關聯。worker使用這對內置的MessagePort來和父線程進行通信。
通過parentPort.postMessage()發送的消息在主線程中將可以通過worker.on(‘message’)接收。
主線程中通過worker.postMessage()發送的消息將可以在工作線程中通過parentPort.on(‘message’)接收。
當然，你也可以顯式的創建MessageChannel 對象，然後將MessagePort作為消息傳遞給其他線程，我們看一個例子：
const assert = require('assert');
const {
Worker, MessageChannel, MessagePort, isMainThread, parentPort
} = require('worker_threads');
if (isMainThread) {
const worker = new Worker(__filename);
const subChannel = new MessageChannel();
worker.postMessage({ hereIsYourPort: subChannel.port1 }, [subChannel.port1]);
subChannel.port2.on('message', (value) => {
console.log('接收到:', value);
});
} else {
parentPort.once('message', (value) => {
assert(value.hereIsYourPort instanceof MessagePort);
value.hereIsYourPort.postMessage('工作線程正在發送此消息');
value.hereIsYourPort.close();
});
}
上面的例子中，我們借助瞭worker和parentPort本身的消息傳遞功能，傳遞瞭一個顯式的MessageChannel中的MessagePort。
然後又通過該MessagePort來進行消息的分發。
receiveMessageOnPort
除瞭port的on(‘message’)方法之外，我們還可以使用receiveMessageOnPort來手動接收消息：
const { MessageChannel, receiveMessageOnPort } = require('worker_threads');
const { port1, port2 } = new MessageChannel();
port1.postMessage({ hello: 'world' });
console.log(receiveMessageOnPort(port2));
// Prints: { message: { hello: 'world' } }
console.log(receiveMessageOnPort(port2));
// Prints: undefined
moveMessagePortToContext
先瞭解一下nodejs中的Context的概念，我們可以從vm中創建context，它是一個隔離的上下文環境，從而保證不同運行環境的安全性，我們看一個context的例子：
const vm = require('vm');
const x = 1;
const context = { x: 2 };
vm.createContext(context); // 上下文隔離化對象。
const code = 'x += 40; var y = 17;';
// `x` and `y` 是上下文中的全局變量。
// 最初，x 的值為 2，因為這是 context.x 的值。
vm.runInContext(code, context);
console.log(context.x); // 42
console.log(context.y); // 17
console.log(x); // 1; y 沒有定義。
在worker中，我們可以將一個MessagePort move到其他的context中。
worker.moveMessagePortToContext(port, contextifiedSandbox)
這個方法接收兩個參數，第一個參數就是要move的MessagePort,第二個參數就是vm.createContext()創建的context對象。
worker_threads的線程池
上面我們提到瞭使用單個的worker thread，但是現在程序中一個線程往往是不夠的，我們需要創建一個線程池來維護worker thread對象。
nodejs提供瞭AsyncResource類，來作為對異步資源的擴展。
AsyncResource類是async_hooks模塊中的。
下面我們看下怎麼使用AsyncResource類來創建worker的線程池。
假設我們有一個task，使用來執行兩個數相加，腳本名字叫做task_processor.js：
const { parentPort } = require('worker_threads');
parentPort.on('message', (task) => {
parentPort.postMessage(task.a + task.b);
});
下面是worker pool的實現：
const { AsyncResource } = require('async_hooks');
const { EventEmitter } = require('events');
const path = require('path');
const { Worker } = require('worker_threads');
const kTaskInfo = Symbol('kTaskInfo');
const kWorkerFreedEvent = Symbol('kWorkerFreedEvent');
class WorkerPoolTaskInfo extends AsyncResource {
constructor(callback) {
super('WorkerPoolTaskInfo');
this.callback = callback;
}
done(err, result) {
this.runInAsyncScope(this.callback, null, err, result);
this.emitDestroy(); // `TaskInfo`s are used only once.
}
}
class WorkerPool extends EventEmitter {
constructor(numThreads) {
super();
this.numThreads = numThreads;
this.workers = [];
this.freeWorkers = [];
for (let i = 0; i < numThreads; i++)
this.addNewWorker();
}
addNewWorker() {
const worker = new Worker(path.resolve(__dirname, 'task_processor.js'));
worker.on('message', (result) => {
// In case of success: Call the callback that was passed to `runTask`,
// remove the `TaskInfo` associated with the Worker, and mark it as free
// again.
worker[kTaskInfo].done(null, result);
worker[kTaskInfo] = null;
this.freeWorkers.push(worker);
this.emit(kWorkerFreedEvent);
});
worker.on('error', (err) => {
// In case of an uncaught exception: Call the callback that was passed to
// `runTask` with the error.
if (worker[kTaskInfo])
worker[kTaskInfo].done(err, null);
else
this.emit('error', err);
// Remove the worker from the list and start a new Worker to replace the
// current one.
this.workers.splice(this.workers.indexOf(worker), 1);
this.addNewWorker();
});
this.workers.push(worker);
this.freeWorkers.push(worker);
this.emit(kWorkerFreedEvent);
}
runTask(task, callback) {
if (this.freeWorkers.length === 0) {
// No free threads, wait until a worker thread becomes free.
this.once(kWorkerFreedEvent, () => this.runTask(task, callback));
return;
}
const worker = this.freeWorkers.pop();
worker[kTaskInfo] = new WorkerPoolTaskInfo(callback);
worker.postMessage(task);
}
close() {
for (const worker of this.workers) worker.terminate();
}
}
module.exports = WorkerPool;
我們給worker創建瞭一個新的kTaskInfo屬性，並且將異步的callback封裝到WorkerPoolTaskInfo中，賦值給worker.kTaskInfo.
接下來我們就可以使用workerPool瞭：
const WorkerPool = require('./worker_pool.js');
const os = require('os');
const pool = new WorkerPool(os.cpus().length);
let finished = 0;
for (let i = 0; i < 10; i++) {
pool.runTask({ a: 42, b: 100 }, (err, result) => {
console.log(i, err, result);
if (++finished === 10)
pool.close();
});
}
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