nodejs中使用worker_threads来创建新的线程的方法

简介

之前的文章中提到了，nodejs中有两种线程，一种是event loop用来相应用户的请求和处理各种callback。另一种就是worker pool用来处理各种耗时操作。

nodejs的官网提到了一个能够使用nodejs本地woker pool的lib叫做webworker-threads。

可惜的是webworker-threads的最后一次更新还是在2年前，而在最新的nodejs 12中，根本无法使用。

而webworker-threads的作者则推荐了一个新的lib叫做web-worker。

web-worker是构建于nodejs的worker_threads之上的，本文将会详细讲解worker_threads和web-worker的使用。

worker_threads

worker_threads模块的源代码源自lib/worker_threads.js，它指的是工作线程，可以开启一个新的线程来并行执行javascript程序。

worker_threads主要用来处理CPU密集型操作,而不是IO操作，因为nodejs本身的异步IO已经非常强大了。

worker_threads中主要有5个属性，3个class和3个主要的方法。接下来我们将会一一讲解。

isMainThread

isMainThread用来判断代码是否在主线程中运行，我们看一个使用的例子：

const { Worker, isMainThread } = require('worker_threads');

if (isMainThread) {
 console.log('在主线程中');
 new Worker(__filename);
} else {
 console.log('在工作线程中');
 console.log(isMainThread); // 打印 'false'。
}

上面的例子中，我们从worker_threads模块中引入了Worker和isMainThread，Worker就是工作线程的主类，我们将会在后面详细讲解，这里我们使用Worker创建了一个工作线程。

MessageChannel

MessageChannel代表的是一个异步双向通信channel。MessageChannel中没有方法，主要通过MessageChannel来连接两端的MessagePort。

class MessageChannel {
  readonly port1: MessagePort;
  readonly port2: MessagePort;
 }

当我们使用new MessageChannel()的时候，会自动创建两个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

通过MessageChannel，我们可以进行MessagePort间的通信。

parentPort和MessagePort

parentPort是一个MessagePort类型，parentPort主要用于worker线程和主线程进行消息交互。

通过parentPort.postMessage()发送的消息在主线程中将可以通过worker.on(‘message')接收。

主线程中通过worker.postMessage()发送的消息将可以在工作线程中通过parentPort.on(‘message')接收。

我们看一下MessagePort的定义：

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继承自EventEmitter，它表示的是异步双向通信channel的一端。这个channel就叫做MessageChannel，MessagePort通过MessageChannel来进行通信。

我们可以通过MessagePort来传输结构体数据，内存区域或者其他的MessagePorts。

从源代码中，我们可以看到MessagePort中有两个事件，close和message。

close事件将会在channel的中任何一端断开连接的时候触发，而message事件将会在port.postMessage时候触发，下面我们看一个例子：

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')实际上为message事件添加了一个listener，port还提供了addListener方法来手动添加listener。

port.on(‘message')会自动触发port.start(）方法，表示启动一个port。

当port有listener存在的时候，这表示port存在一个ref，当存在ref的时候，程序是不会结束的。我们可以通过调用port.unref方法来取消这个ref。

接下来我们看一下怎么通过port来传输消息：

port.postMessage(value[, transferList])

postMessage可以接受两个参数，第一个参数是value，这是一个JavaScript对象。第二个参数是transferList。

先看一个传递一个参数的情况：

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);

通常来说postMessage发送的对象都是value的拷贝，但是如果你指定了transferList，那么在transferList中的对象将会被transfer到channel的接受端，并且不再存在于发送端，就好像把对象传送出去一样。

transferList是一个list，list中的对象可以是ArrayBuffer, MessagePort 和 FileHandle。

如果value中包含SharedArrayBuffer对象，那么该对象不能被包含在transferList中。

看一个包含两个参数的例子：

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的拷贝:
port2.postMessage(uint8Array);

port2.postMessage(uint8Array, [ uint8Array.buffer ]);

//port2.postMessage(uint8Array);

上面的例子将输出：

Uint8Array(4) [ 1, 2, 3, 4 ]
Uint8Array(4) [ 1, 2, 3, 4 ]

第一个postMessage是拷贝，第二个postMessage是transfer Uint8Array底层的buffer。

如果我们再次调用port2.postMessage(uint8Array)，我们会得到下面的错误：

DOMException [DataCloneError]: An ArrayBuffer is detached and could not be cloned.

buffer是TypedArray的底层存储结构，如果buffer被transfer，那么之前的TypedArray将会变得不可用。

markAsUntransferable

要想避免这个问题，我们可以调用markAsUntransferable将buffer标记为不可transferable. 我们看一个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是传递给worker构造函数的一个env变量，通过设置这个变量，我们可以在主线程与工作线程进行共享环境变量的读写。

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

除了postMessage()，还可以通过在主线程中传递workerData给worker的构造函数，从而将主线程中的数据传递给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类

先看一下worker的定义：

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继承自EventEmitter，并且包含了4个重要的事件：error，exit，message和online。

worker表示的是一个独立的 JavaScript 执行线程，我们可以通过传递filename或者URL来构造worker。

每一个worker都有一对内置的MessagePort，在worker创建的时候就会相互关联。worker使用这对内置的MessagePort来和父线程进行通信。

通过parentPort.postMessage()发送的消息在主线程中将可以通过worker.on(‘message')接收。

主线程中通过worker.postMessage()发送的消息将可以在工作线程中通过parentPort.on(‘message')接收。

当然，你也可以显式的创建MessageChannel 对象，然后将MessagePort作为消息传递给其他线程，我们看一个例子：

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('工作线程正在发送此消息');
 value.hereIsYourPort.close();
 });
}

上面的例子中，我们借助了worker和parentPort本身的消息传递功能，传递了一个显式的MessageChannel中的MessagePort。

然后又通过该MessagePort来进行消息的分发。

receiveMessageOnPort

除了port的on(‘message')方法之外，我们还可以使用receiveMessageOnPort来手动接收消息：

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

先了解一下nodejs中的Context的概念，我们可以从vm中创建context，它是一个隔离的上下文环境，从而保证不同运行环境的安全性，我们看一个context的例子：

const vm = require('vm');

const x = 1;

const context = { x: 2 };
vm.createContext(context); // 上下文隔离化对象。

const code = 'x += 40; var y = 17;';
// `x` and `y` 是上下文中的全局变量。
// 最初，x 的值为 2，因为这是 context.x 的值。
vm.runInContext(code, context);

console.log(context.x); // 42
console.log(context.y); // 17

console.log(x); // 1; y 没有定义。

在worker中，我们可以将一个MessagePort move到其他的context中。

worker.moveMessagePortToContext(port, contextifiedSandbox)

这个方法接收两个参数，第一个参数就是要move的MessagePort,第二个参数就是vm.createContext()创建的context对象。

worker_threads的线程池

上面我们提到了使用单个的worker thread，但是现在程序中一个线程往往是不够的，我们需要创建一个线程池来维护worker thread对象。

nodejs提供了AsyncResource类，来作为对异步资源的扩展。

AsyncResource类是async_hooks模块中的。

下面我们看下怎么使用AsyncResource类来创建worker的线程池。

假设我们有一个task，使用来执行两个数相加，脚本名字叫做task_processor.js：

const { parentPort } = require('worker_threads');
parentPort.on('message', (task) => {
 parentPort.postMessage(task.a + task.b);
});

下面是worker pool的实现：

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;

我们给worker创建了一个新的kTaskInfo属性，并且将异步的callback封装到WorkerPoolTaskInfo中，赋值给worker.kTaskInfo.

接下来我们就可以使用workerPool了：

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();
 });
}

到此这篇关于nodejs中使用worker_threads来创建新的线程的方法的文章就介绍到这了,更多相关nodejs使用worker_threads创建线程内容请搜索三水点靠木以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持三水点靠木！