了解 Node.js 中的工作线程：深入探讨

Node.js 以其非阻塞、事件驱动的架构而闻名，擅长处理高并发，尤其是 I/O 密集型任务。 然而，CPU 密集型操作提出了一个挑战：如何防止它们阻塞主事件循环并影响性能？ 解决方案在于工作线程。

本文深入研究 Node.js 工作线程，解释它们的功能，将它们与 C 和 Java 等语言中的线程进行对比，并说明它们在处理计算要求较高的任务中的用途。

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了解 Node.js 工作线程

Node.js 本质上是在单线程环境中运行的； JavaScript 代码在单个线程（事件循环）上执行。这对于异步 I/O 来说是高效的，但它成为 CPU 密集型任务的瓶颈，例如大型数据集处理、复杂计算或密集的图像/视频操作。

worker_threads 模块通过在多个线程中并行执行 JavaScript 代码来解决此限制。这些线程卸载繁重的计算，保留主事件循环响应能力并提高整体应用程序性能。

工作线程如何工作

Node.js 工作线程是本机操作系统线程，由操作系统管理，就像传统多线程应用程序中的线程一样。 至关重要的是，它们在 Node.js 的单线程 JavaScript 模型中运行，维护内存隔离并通过消息传递进行通信。

考虑这个说明性示例：

<code class="language-javascript">const { Worker, isMainThread, parentPort } = require('worker_threads');

if (isMainThread) {
  // Main thread: Creates a worker
  const worker = new Worker(__filename); 
  worker.on('message', (message) => {
    console.log('Message from worker:', message); 
  });
  worker.postMessage('Start processing');
} else {
  // Worker thread: Handles the task
  parentPort.on('message', (message) => {
    console.log('Received in worker:', message);
    const result = heavyComputation(40); 
    parentPort.postMessage(result); 
  });
}

function heavyComputation(n) {
  // Simulates heavy computation (recursive Fibonacci)
  if (n <= 1) return n;
  return heavyComputation(n - 1) + heavyComputation(n - 2);
}</code>

在这里，主线程使用相同的脚本生成一个工作线程。工作线程执行计算密集型任务（计算斐波那契数）并使用 postMessage().

将结果返回到主线程

工作线程的主要特性：

1. **真正的操作系统线程：**工作线程是真正的操作系统线程，独立运行，适合计算成本较高的操作。
2. **隔离内存空间：** 工作线程拥有自己的隔离内存，增强数据完整性并最大限度地减少竞争条件风险。线程间通信依赖于消息传递。
3. **非阻塞并发：**工作线程支持并发执行，确保主线程响应能力，同时处理 CPU 密集型任务。

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工作线程的最佳用例

在以下情况下在 Node.js 中使用工作线程：

• 涉及 CPU 密集型任务： 密集计算、图像/视频处理或复杂数据操作等可能会阻塞事件循环的任务。
• 需要非阻塞并发：当计算必须在不妨碍事件循环管理其他异步 I/O 操作（例如处理 HTTP 请求）的能力的情况下进行时。
• 需要解决单线程瓶颈：在多核系统上，工作线程利用多个内核，分配计算负载并提高性能。

处理大型数据集（解析大量 CSV 文件、运行机器学习模型）从卸载到工作线程中获益匪浅。

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使用工作线程模拟 CPU 密集型任务

让我们研究一下如何模拟 CPU 密集型任务并观察使用工作线程所带来的效率提升。

示例1：斐波那契数列计算

我们将利用简单的递归斐波那契算法（指数复杂度）来模拟繁重的计算。 （上一个示例中的 heavyComputation 函数演示了这一点。）

示例 2：对大数组进行排序

对大型数据集进行排序是另一个经典的 CPU 密集型任务。 我们可以通过对大量随机数进行排序来模拟这一点：

<code class="language-javascript">const { Worker, isMainThread, parentPort } = require('worker_threads');

if (isMainThread) {
  // Main thread: Creates a worker
  const worker = new Worker(__filename); 
  worker.on('message', (message) => {
    console.log('Message from worker:', message); 
  });
  worker.postMessage('Start processing');
} else {
  // Worker thread: Handles the task
  parentPort.on('message', (message) => {
    console.log('Received in worker:', message);
    const result = heavyComputation(40); 
    parentPort.postMessage(result); 
  });
}

function heavyComputation(n) {
  // Simulates heavy computation (recursive Fibonacci)
  if (n <= 1) return n;
  return heavyComputation(n - 1) + heavyComputation(n - 2);
}</code>

对一百万个数字进行排序非常耗时；工作线程可以在主线程保持响应的同时处理这个问题。

示例 3：素数生成

生成大范围内的素数是另一项计算量大的任务。一个简单（低效）的方法是：

<code class="language-javascript">function heavyComputation() {
  const arr = Array.from({ length: 1000000 }, () => Math.random());
  arr.sort((a, b) => a - b);
  return arr[0]; // Return the smallest element for demonstration
}</code>

这需要检查每个数字，使其适合卸载到工作线程。

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工作线程与其他语言中的线程

Node.js 工作线程与 C 或 Java 中的线程相比如何？

Node.js Worker Threads	C /Java Threads
No shared memory; communication uses message passing.	Threads typically share memory, simplifying data sharing but increasing the risk of race conditions.
Each worker has its own independent event loop.	Threads run concurrently, each with its own execution flow, sharing a common memory space.
Communication is via message passing (`postMessage()` and event listeners).	Communication is via shared memory, variables, or synchronization methods (mutexes, semaphores).
More restrictive but safer for concurrency due to isolation and message passing.	Easier for shared memory access but more prone to deadlocks or race conditions.
Ideal for offloading CPU-intensive tasks non-blockingly.	Best for tasks requiring frequent shared memory interaction and parallel execution in memory-intensive applications.

记忆共享与交流：

在 C 和 Java 中，线程通常共享内存，允许直接变量访问。这很有效，但如果多个线程同时修改相同的数据，则会带来竞争条件风险。同步（互斥体、信号量）通常是必要的，这会导致代码复杂。

Node.js 工作线程通过使用消息传递来避免这种情况，从而增强并发应用程序的安全性。 虽然限制性更大，但这种方法可以缓解常见的多线程编程问题。

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结论

Node.js 工作线程提供了一种强大的机制，可以在不阻塞主事件循环的情况下处理 CPU 密集型任务。 它们支持并行执行，提高计算要求较高的操作的效率。

与 C 或 Java 中的线程相比，Node.js 工作线程通过强制内存隔离和消息传递通信提供了更简单、更安全的模型。这使得它们更容易在卸载任务对于性能和响应能力至关重要的应用程序中使用。 无论是构建 Web 服务器、执行数据分析还是处理大型数据集，工作线程都可以显着提高性能。

以上是了解 Node.js 中的工作线程：深入探讨的详细内容。更多信息请关注PHP中文网其他相关文章！