了解 Node.js 集群：核心概念

前言

如果您使用 PM2 来管理 Node.js 进程，您可能已经注意到它支持集群模式。这种模式允许 Node.js 创建多个进程。当您将集群模式下的实例数量设置为 max 时，PM2 会自动创建与服务器上可用 CPU 核心相对应的 Node 进程数。

PM2 通过利用 Node.js 的 Cluster 模块来实现这一点。该模块解决了 Node.js 的单线程特性，该特性传统上限制了其利用多个 CPU 核心的能力。但是 Cluster 模块内部是如何工作的呢？进程之间如何通信？多个进程如何监听同一个端口？ Node.js 如何将请求分发到这些进程？如果您对这些问题感到好奇，请继续阅读。

核心原则

Node.js 工作进程是使用 child_process.fork() 方法创建的。这意味着有一个父进程和多个子进程。代码通常如下所示：

const cluster = require('cluster');
const os = require('os');

if (cluster.isMaster) {
  for (let i = 0, n = os.cpus().length; i 



<p>如果您研究过操作系统，您可能熟悉 fork() 系统调用。调用进程是父进程，而新创建的进程是子进程。这些子进程与父进程共享相同的数据段和堆栈，但它们的物理内存空间不一定共享。在 Node.js 集群中，<strong>master</strong> 进程侦听端口并将传入请求分发到 <strong>worker</strong> 进程。这涉及到解决三个核心主题：<strong>进程间通信 (IPC)</strong>、<strong>负载平衡策略</strong>和<strong>多进程端口监听</strong>。</p>

<h2>
  
  
  进程间通信（IPC）
</h2>

<p><strong>master</strong>进程使用process.fork()创建子进程。这些进程之间的通信是通过 <strong>IPC 通道</strong> 处理的。操作系统提供了多种进程间通信的机制，例如：</p>

<ol>
<li>
<strong>共享内存</strong>
多个进程共享一个内存空间，通常通过信号量进行管理以实现同步和互斥。</li>
<li><p><strong>消息传递</strong><br><br>
通过发送和接收消息来处理交换数据。</p></li>
<li><p><strong>信号量</strong><br><br>
信号量是系统分配的状态值。缺乏控制的进程将被迫在特定的检查点停止，等待继续进行的信号。当仅限于二进制值（0 或 1）时，此机制称为“互斥锁”（互斥锁）。</p></li>
<li><p><strong>管道</strong><br><br>
管道连接两个进程，允许一个进程的输出作为另一个进程的输入。这可以使用管道系统调用来创建。 | 的 | shell 脚本中的命令是这种机制的一个常见示例。</p></li>
</ol>

<p>Node.js 使用基于事件的机制在父进程和子进程之间进行通信。这是父进程向子进程发送 TCP 服务器句柄的示例：<br>
</p>

<pre class="brush:php;toolbar:false">const cluster = require('cluster');
const os = require('os');

if (cluster.isMaster) {
  for (let i = 0, n = os.cpus().length; i 



<h2>
  
  
  负载均衡策略
</h2>

<p>如前所述，所有请求均由 <strong>master</strong> 进程分发。确保服务器负载在工作进程之间均匀分布需要负载平衡策略。 Node.js 默认使用 <strong>round-robin</strong> 算法。</p>

<h3>
  
  
  循环赛
</h3>

<p>轮询方法是 Nginx 也采用的常见负载均衡算法。它的工作原理是按顺序将传入请求分发到每个进程，从第一个进程开始，到达最后一个进程后循环返回。然而，该方法假设所有进程的处理能力相同。在请求处理时间变化较大的场景下，可能会出现负载不平衡的情况。</p>

<p>为了解决这个问题，Nginx 经常使用<strong>加权循环（WRR）</strong>，其中服务器被分配不同的权重。选择权重最高的服务器，直到其权重减少到零，此时根据新的权重序列重新开始循环。</p>

<p>您可以通过设置 NODE_CLUSTER_SCHED_POLICY 环境变量或通过 cluster.setupMaster(options) 配置来调整 Node.js 中的负载均衡策略。结合 Nginx 进行多机集群和 Node.js Cluster 进行单机多进程平衡是一种常见的做法。</p>

<h2>
  
  
  多进程端口监听
</h2>

<p>在 Node.js 的早期版本中，侦听同一端口的多个进程会竞争传入连接，从而导致负载分布不均匀。后来通过循环赛策略解决了这个问题。当前方法的工作原理如下：</p>

<ol>
<li>
<strong>master</strong> 进程创建一个套接字，将其绑定到一个地址，并开始监听。</li>
<li>套接字的文件描述符（fd）不会传递给工作进程。</li>
<li>当主进程接受新连接时，它会确定哪个工作进程应该处理该连接并相应地转发它。</li>
</ol>

<p>本质上，主进程监听端口并使用定义的策略（例如，循环）将连接分配给工作进程。这种设计消除了worker之间的竞争，但要求master进程高度稳定。</p><h2>
  
  
  结论
</h2>

<p>本文以 PM2 的 Cluster 模式为切入点，探讨了 Node.js 的 Cluster 模块实现多进程应用程序背后的核心原理。我们重点关注三个关键方面：进程间通信、负载均衡和多进程端口监听。</p>

<p>通过研究Cluster模块，我们可以看到很多基本原理和算法是通用的。例如，循环算法被用于操作系统进程调度和服务器负载平衡。 master-worker架构类似于Nginx中的多进程设计。同样，信号量和管道等机制在各种编程范例中也无处不在。</p>

<p>虽然新技术不断涌现，但它们的基础始终如一。了解这些核心概念使我们能够自信地推断和适应新的挑战。</p>


<hr>

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</h3>

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