Lassen Sie uns darüber sprechen, wie Node.js + worker_threads Multithreading implementiert. (ausführliche Erklärung)

Dieser Artikel führt Sie durch das worker_threads-Modul, stellt vor, wie Sie worker_threads zum Implementieren von Multithreading in Node verwenden, und zeigt als praktisches Beispiel, wie Sie worker_threads zum Ausführen der Fibonacci-Sequenz verwenden!

Normalerweise gilt Node.jsNode.js被认为是单线程。由主线程去按照编码顺序一步步执行程序代码，一旦遇到同步代码阻塞，主线程就会被占用，后续的程序代码的执行都会被卡住。没错Node.js的单线程指的是主线程是"单线程"。

为了解决单线程带来的问题，本文的主角worker_threads出现了。worker_threads首次在Node.js v10.5.0作为实验性功能出现，需要命令行带上--experimental-worker才能使用。直到v12.11.0稳定版才能正式使用。

本文将会介绍worker_threads的使用方式，以及利用worker_threads执行斐波那契数列作为实践例子。

先决条件

阅读并食用本文，需要先具备：

• 安装了 Node.js v12.11.0 及以上版本
• 掌握 JavaScript 同步和异步编程的基础知识
• 掌握 Node.js 的工作原理

worker_threads 介绍

worker_threads 模块允许使用并行执行 JavaScript 的线程。

工作线程对于执行 CPU 密集型的 JavaScript 操作很有用。 它们对 I/O 密集型的工作帮助不大。 Node.js 内置的异步 I/O 操作比工作线程更高效。

与 child_process 或 cluster 不同，worker_threads 可以共享内存。 它们通过传输 ArrayBuffer 实例或共享 SharedArrayBuffer 实例来实现。

由于以下特性，worker_threads已被证明是充分利用CPU性能的最佳解决方案：

• 它们运行具有多个线程的单个进程。

• 每个线程执行一个事件循环。

• 每个线程运行单个 JS 引擎实例。

• 每个线程执行单个 Nodejs 实例。

worker_threads 如何工作

worker_threads通过执行主线程指定的脚本文件来工作。每个线程都在与其他线程隔离的情况下执行。但是，这些线程可以通过消息通道来回传递消息。

主线程使用worker.postMessage()函数使用消息通道，而工作线程使用parentPort.postMessage()函数。

通过官方示例代码加强了解：

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

if (isMainThread) {
  module.exports = function parseJSAsync(script) {
    return new Promise((resolve, reject) => {
      const worker = new Worker(__filename, {
        workerData: script
      });
      worker.on('message', resolve);
      worker.on('error', reject);
      worker.on('exit', (code) => {
        if (code !== 0)
          reject(new Error(`Worker stopped with exit code ${code}`));
      });
    });
  };
} else {
  const { parse } = require('some-js-parsing-library');
  const script = workerData;
  parentPort.postMessage(parse(script));
}

上述代码主线程与工作线程都使用同一份文件作为执行脚本(__filename为当前执行文件路径)，通过isMainThread来区分主线程与工作线程运行时逻辑。当模块对外暴露方法parseJSAsync被调用时候，都将会衍生子工作线程去执行调用parse函数。

worker_threads 具体使用

在本节使用具体例子介绍worker_threads的使用

创建工作线程脚本文件workerExample.js:

const { workerData, parentPort } = require('worker_threads')
parentPort.postMessage({ welcome: workerData })

创建主线程脚本文件main.js:

const { Worker } = require('worker_threads')

const runWorker = (workerData) => {
    return new Promise((resolve, reject) => {
        // 引入 workerExample.js `工作线程`脚本文件
        const worker = new Worker('./workerExample.js', { workerData });
        worker.on('message', resolve);
        worker.on('error', reject);
        worker.on('exit', (code) => {
            if (code !== 0)
                reject(new Error(`stopped with  ${code} exit code`));
        })
    })
}

const main = async () => {
    const result = await runWorker('hello worker threads')
    console.log(result);
}

main().catch(err => console.error(err))

控制台命令行执行:

node main.js

输出:

{ welcome: 'hello worker threads' }

worker_threads 运算斐波那契数列

在本节中，让我们看一下 CPU 密集型示例，生成斐波那契数列。

如果在没有工作线程的情况下完成此任务，则会随着nth期限的增加而阻塞主线程。

创建工作线程脚本文件worker.js

const {parentPort, workerData} = require("worker_threads");

parentPort.postMessage(getFibonacciNumber(workerData.num))

function getFibonacciNumber(num) {
    if (num === 0) {
        return 0;
    }
    else if (num === 1) {
        return 1;
    }
    else {
        return getFibonacciNumber(num - 1) + getFibonacciNumber(num - 2);
    }
}

创建主线程脚本文件main.js:

const {Worker} = require("worker_threads");

let number = 30;

const worker = new Worker("./worker.js", {workerData: {num: number}});

worker.once("message", result => {
    console.log(`${number}th Fibonacci Result: ${result}`);
});

worker.on("error", error => {
    console.log(error);
});

worker.on("exit", exitCode => {
    console.log(`It exited with code ${exitCode}`);
})

console.log("Execution in main thread");

控制台命令行执行:

node main.js

输出:

Execution in main thread
30th Fibonacci Result: 832040
It exited with code 0

在main.js文件中，我们从类的实例创建一个工作线程，Worker als Single-Threaded. Der Hauptthread führt den Programmcode Schritt für Schritt gemäß der Codierungssequenz aus. Sobald der Synchronisationscode blockiert ist, ist der Hauptthread belegt und die nachfolgende Ausführung des Programmcodes bleibt hängen. Das ist richtig, der einzelne Thread von Node.js bedeutet, dass der Hauptthread „Single-Threaded“ ist.

Um die durch einzelne Threads verursachten Probleme zu lösen, erscheint der Protagonist dieses Artikels worker_threads. worker_threads erschien erstmals als experimentelle Funktion in Node.js v10.5.0 und erfordert zur Verwendung --experimental-worker in der Befehlszeile. Es kann erst mit der stabilen Version v12.11.0 offiziell verwendet werden.

🎜In diesem Artikel erfahren Sie, wie Sie worker_threads verwenden und wie Sie worker_threads verwenden, um Fibonacci-Folge 🎜 als praktisches Beispiel. 🎜

Voraussetzungen

🎜Um diesen Artikel lesen und nutzen zu können, müssen Sie Folgendes haben: 🎜

• Installierter Node.js v12.11.0 und höher
• Beherrschen Sie die Grundkenntnisse der synchronen und asynchronen JavaScript-Programmierung
• Beherrschen Sie das Funktionsprinzip von Node.js

Einführung zu worker_threads

Worker_threads-Einführung

strong>

🎜worker_threads-Modul ermöglicht die Verwendung von Threads, die JavaScript ausführen parallel. 🎜🎜Worker-Threads sind nützlich, um CPU-intensive JavaScript-Vorgänge auszuführen. Sie sind für I/O-intensive Arbeiten nicht sehr hilfreich. Die integrierten asynchronen E/A-Vorgänge von Node.js sind effizienter als Arbeitsthreads. 🎜🎜Im Gegensatz zu child_process oder cluster können worker_threads den Speicher teilen. Dies erreichen sie durch die Übertragung von ArrayBuffer-Instanzen oder die gemeinsame Nutzung von SharedArrayBuffer-Instanzen. 🎜🎜worker_threads haben sich aufgrund der folgenden Eigenschaften als die beste Lösung erwiesen, um die CPU-Leistung voll auszunutzen: 🎜

• 🎜Sie Führen Sie einen einzelnen Prozess mit mehreren Threads aus. 🎜
• 🎜Jeder Thread führt eine Ereignisschleife aus. 🎜
• 🎜Jeder Thread führt eine einzelne Instanz der JS-Engine aus. 🎜
• 🎜Jeder Thread führt eine einzelne 🎜Nodejs🎜-Instanz aus. 🎜

So funktioniert worker_threads

🎜worker_threadsdurch Ausführen des vom Hauptthread /code> >Skriptdatei um zu funktionieren. Jeder Thread wird isoliert von anderen Threads ausgeführt. Diese Threads können jedoch Nachrichten über Nachrichtenkanäle hin und her übertragen. 🎜🎜Hauptthread verwendet die Funktion worker.postMessage(), um den Nachrichtenkanal zu verwenden, während Arbeitsthread parentPort.postMessage( ) Code> Funktion. 🎜🎜Verbessern Sie Ihr Verständnis durch den offiziellen Beispielcode: 🎜

console.log("Execution in main thread");

🎜Der obige Code Hauptthread und Arbeitsthreads verwenden alle dieselbe Datei wie das Ausführungsskript (__filename ist der aktuelle Pfad der Ausführungsdatei), und Hauptthread wird durch isMainThread > Laufzeitlogik mit Worker-Threads. Wenn die extern bereitgestellte Methode parseJSAsync des Moduls aufgerufen wird, wird ein Sub-Worker-Thread erzeugt, um die Funktion parse auszuführen. 🎜

Worker_threads-spezifische Verwendung

🎜In diesem Abschnitt verwenden wir spezifische Beispiele, um die Verwendung von worker_threads vorzustellen 🎜🎜Worker-Thread erstellen Code> Skriptdatei <code>workerExample.js:🎜rrreee🎜Erstellen Sie Hauptthread Skriptdatei main.js:🎜rrreee🎜Konsolenbefehlszeilenausführung:🎜 rrreee🎜Ausgabe:🎜rrreee

worker_threads Operation Fibonacci-Sequenz

🎜In diesem Abschnitt schauen wir uns ein CPU-intensives Beispiel an, das Fibonacci-Zahlen 🎜. 🎜🎜Wenn diese Aufgabe ohne Arbeitsthread abgeschlossen wird, wird der Hauptthread mit zunehmender n-ter-Frist blockiert. 🎜🎜Erstellen Sie die Worker-Thread-Skriptdatei worker.js🎜rrreee🎜Erstellen Sie die Hauptthread-Skriptdatei main.js: 🎜rrreee🎜Konsolenbefehlszeilenausführung: 🎜rrreee🎜Ausgabe: 🎜rrreee🎜In der Datei main.js erstellen wir einen Arbeitsthread aus einer Instanz der Klasse Worker as Wie wir im vorherigen Beispiel gesehen haben. 🎜🎜Um die Ergebnisse zu erhalten, hören wir uns 3 Ereignisse an, 🎜

• message响应工作线程发出消息。
• exit在工作线程停止执行的情况下触发的事件。
• error发生错误时触发。

我们在最后一行main.js，

console.log("Execution in main thread");

通过控制台的输出可得，主线程并没有被斐波那契数列运算执行而阻塞。

因此，只要在工作线程中处理 CPU 密集型任务，我们就可以继续处理其他任务而不必担心阻塞主线程。

结论

Node.js 在处理 CPU 密集型任务时一直因其性能而受到批评。通过有效地解决这些缺点，工作线程的引入提高了 Node.js 的功能。

有关worker_threads的更多信息，请在此处访问其官方文档。

思考

文章结束前留下思考，后续会在评论区做补充，欢迎一起讨论。

• worker_threads线程空闲时候会被回收吗?
• worker_threads共享内存如何使用?
• 既然说到线程，那么应该有线程池?

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