NodeJS のマスター/ワーカー パターン: 説明

JavaScript ベースの開発プラットフォームである Node.js を使用すると、開発者は JavaScript を使用してサーバー側アプリケーションを構築できます。 そのシングルスレッドのイベント駆動型アーキテクチャは主な強みであり、複数のスレッドやプロセスのオーバーヘッドを発生させることなく、多数の同時リクエストを効率的に管理します。

なぜマスター-ワーカーモデルを採用するのでしょうか?

Node.js の利点にもかかわらず、シングルスレッドの性質には制限があります。

• CPU バウンドの操作: 画像操作や暗号化機能などのタスクは単一スレッドをブロックし、全体的なパフォーマンスに影響を与える可能性があります。
• 堅牢なエラー処理: エラーまたは例外が原因で単一のスレッドがクラッシュすると、アプリケーション全体が停止します。
• マルチコアの非効率性: シングルスレッド モデルはマルチコア プロセッサを十分に活用していません。

解決策は？ Node.js のマスター/ワーカー パターン (クラスター モードとも呼ばれます)。この分散システム設計では、複数のワーカー プロセスを監視するマスター プロセスを使用します。マスターはワーカーを管理および監視し、ワーカーは個々のタスクを処理します。

マスター-ワーカー パターンの実装

Node.js は、マスター/ワーカーの実装に cluster モジュールを利用します。このモジュールは、複数の子プロセスの作成を簡素化し、制御およびプロセス間通信のメカニズムを提供します。 内訳は次のとおりです:

1. cluster モジュールをインポートし、現在のプロセスがマスターであるかワーカーであるかを識別します。
2. マスターの場合は、cluster.fork() を使用してワーカー プロセスを生成し、イベント リスナーをアタッチしてそのステータスとメッセージを監視します。
3. ワーカー プロセスは特定のタスクを実行し、process.send() 経由でマスターと通信します。

簡単な例

この基本的な例は、cluster モジュールを示します。

const cluster = require('cluster');
const http = require('http');
const numCPUs = require('os').cpus().length;

if (cluster.isMaster) {
  console.log(`Master ${process.pid} is running`);

  // Spawn workers.
  for (let i = 0; i < numCPUs; i++) {
    cluster.fork();
  }

  cluster.on('exit', (worker, code, signal) => {
    console.log(`Worker ${worker.process.pid} died`);
  });
} else {
  // Workers share a TCP connection (e.g., HTTP server).
  http
    .createServer((req, res) => {
      res.writeHead(200);
      res.end('Hello from Worker!');
    })
    .listen(8000);

  console.log(`Worker ${process.pid} started`);
}

マスタープロセスは、自分がマスターであるかどうかを判断します (cluster.isMaster を使用)。 その場合、CPU コア数に等しいワーカーが作成されます。各ワーカーは、独自のメモリと V8 インスタンスを持つ独立したプロセスです。 ワーカーは HTTP サーバーを確立し、リクエストをリッスンします。 exit イベントはワーカーのクラッシュを処理し、マスターがワーカーを再起動できるようにします。

高度なアプリケーション: Nginx 負荷分散

Nginx をリバース プロキシおよびロード バランサーとして使用し、リクエストを複数の Node.js プロセスに分散することでスケーラビリティを強化します。

Nginx 構成例:

http {
    upstream node_cluster {
        server 127.0.0.1:8000;
        server 127.0.0.1:8001;
        server 127.0.0.1:8002;
        # ... more Node.js processes
    }

    server {
        listen 80;

        location / {
            proxy_pass http://node_cluster;
            proxy_http_version 1.1;
            proxy_set_header Upgrade $http_upgrade;
            proxy_set_header Connection 'upgrade';
            proxy_set_header Host $host;
            proxy_cache_bypass $http_upgrade;
        }
    }
}

Nginx は、node_cluster にリストされている Node.js プロセス間でリクエストを均等に分散します。

マスター-ワーカー パターンの利点

• 負荷分散: 複数の Node.js プロセスが受信リクエストを分散し、スループットを向上させます。
• フォールト トレランスと可用性: ワーカーのクラッシュは他のワーカーに影響を与えません。マスターが再起動します。
• CPU に依存したタスクの処理: 複数のワーカーが CPU を集中的に使用する操作を処理し、メイン スレッドのブロックを防ぎます。

考慮すべき点

• 共有状態: ワーカーは独立しています。 状態共有にはデータベースなどの外部ソリューションが必要です。

要約すると、cluster モジュールを使用して実装された Node.js のマスター/ワーカー パターンは、マルチプロセス アプリケーションを構築し、パフォーマンスと信頼性を向上させるための簡単かつ強力な方法を提供します。

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