Day376:说一下你对进程和线程的了解？Node 中进程间是如何进行通信的？

[Genzhen]

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一、进程和线程

用户下达运行程序的命令后，就会产生进程。同一程序可产生多个进程（一对多关系），以允许同时有多位用户运行同一程序，却不会相冲突。

进程需要一些资源才能完成工作，如 CPU 使用时间、存储器、文件以及 I/O 设备，且为依序逐一进行，也就是每个 CPU 核心任何时间内仅能运行一项进程。

进程与线程的区别：进程是计算机管理运行程序的一种方式，一个进程下可包含一个或者多个线程。

也就是说，进程是我们运行的程序代码和占用的资源总和，线程是进程的最小执行单位，当然也支持并发。可以说是把问题细化，分成一个个更小的问题，进而得以解决。

并且进程内的线程是共享进程资源的，处于同一地址空间，所以切换和通信相对成本小，而进程可以理解为没有公共的包裹容器。

但是如果进程间需要通信的话，也需要一个公共环境或者一个媒介，这个就是操作系统。

1.1 进程的演进

计算机有单核的、多核的，也有多种的组合方式：

• 单进程

因为是一个进程，所以某一时刻只能处理一个事务，后续需要等待，体验不好

• 多进程

为了解决上面的问题，但是如果有很多请求的话，会产生很多进程，开销本身就是一个不小的问题，而进程占据独立的内存，这么多响应使的进程难免会有重复的状态和数据，会造成资源浪费。

• 多进程多线程

由之前的进程处理事务，改成使用线程处理事务，解决了开销大，资源浪费的问题，还可以使用线程池，预先创建就绪线程，减少创建和销毁线程的开销。

但是一个 cpu 某一时刻只能处理一个事务。像时间分片来调度线程的话，会导致线程切换频繁，是非常耗时的。

• 单进程单线程

类似也就是 v8，基于事件驱动，有效的避免了内存开销和上下文切换，只需要线程间通信，即可在适当的时刻进行事务结果等的反馈。

但是遇到计算量很大的事务，会阻塞后续任务的执行。像这样：

• 单进程单线程(多进程架构)

Node 提供了 cluster 和 child_process 两个模块进行进程的创建，也就是我们常说的主(Master)从(Worker) 模式。Master 负责任务调度和管理 Worker 进程，Worker 进行事务处理。

1.2 进程间的通信

Node 本身提供了 cluster 和 child_process 模块创建子进程，本质上 cluster.fork() 是 child_process.fork()的上层实现，cluster 带来的好处是可以监听共享端口，否则建议使用 child_process。

• 1.2.1 child_process

child_process 提供了异步和同步的操作方法

常见的异步方法有：

1. exec
2. execFile
3. fork
4. spawn

除了 fork 出来的进程会长期驻存外，其他方式会在子进程任务完成后以流的方式返回并销毁进程。

异步方法会返回 ChildProcess 的实例，ChildProcess 不能直接创建，只能返回。

看个例子

有一个很长很长的循环，如果不开启子进程，会等循环之后才能执行之后的逻辑。

我们可以将耗时的循环放到子进程中，主进程会接受子进程的返回，不影响后续事物的处理。

// 主进程
const execFile = require('child_process').execFile;

execFile('.child.js',[],(err,stdout,stderr)=>{
    if(err){
        console.log(err);
        return;
    }
    console.log(`stdout:${stdout}`);
})
console.log('用户事务处理');

// 子进程
#!usr/bin/env node
for(let i = 0;i< 10000;i++){
    process.stdout.write(`${i}`);
}

而对于 fork，它是专门用来生产子进程的，也可以说是主进程的拷贝，返回的 ChildProcess 中会内置额外的通信通道，也就是 IPC 通道，允许消息在父子进程间传递，例如通过文件描述符，不过由于创建的是匿名通道，所以只有主进程可以与之通信，其他进程无法进行通信。但相对的还有命名通道

看个例子：

// parent.js
const cp = require("child_process");
const n = cp.fork(`${__dirname}/sub.js`);
n.on("message", (m) => {
  console.log("PARENT got message:", m);
});
n.send({ hello: "world" });

//sub.js
process.on("message", (m) => {
  console.log("CHILD got message:", m);
});
process.send({ foo: "bar" });

父进程通过 fork 返回的 ChildProcess 进行通信的监听和发送，子进程通过全局变量 process 进行监听和发送。

• 1.2.2 cluster

cluster 本质上也是通过 child_process.fork 创建子进程，他还能帮我们合理的管理进程。

const cluster = require("cluster");
// 判断是否为主进程
if (cluster.isMaster) {
  const cpuNum = require("os").cpus().length;
  for (let i = 0; i < cpuNum; i++) {
    cluster.fork();
  }
  cluster.on("online", (worker) => {
    console.log("Create worker-" + worker.process.pid);
  });
  cluster.on("exit", (worker, code, signal) => {
    console.log(
      "[Master] worker" +
        worker.process.pid +
        " died with code:" +
        code +
        ",and" +
        signal
    );
    cluster.fork(); // 重启子进程
  });
} else {
  const net = require("net");
  net
    .createServer()
    .on("connection", (socket) => {
      setTimeout(() => {
        socket.end("Request handled by worker-" + process.pid);
      }, 10);
    })
    .listen(8989);
}

细心地你可能发现多个子进程监听了同一个端口，这样不会 EADDRIUNS 吗？

其实不然，真正监听端口的是主进程，当前端请求到达时，会将句柄发送给某个子进程。

二、进程间的通信

2.1 进程间通信分类

每个进程都有各自不同的用户地址空间，任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到，所以进程之间要交换数据必须通过内核，在内核中开辟一个缓冲区，进程 A 把数据从用户空间拷贝到内核缓冲区，进程 B 再从该缓冲区把数据读走，内核提供的这种机制称为进程间通信。

进程间通信(IPC)大概有这种

• 匿名通道
  • 管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，而且只能在具有亲缘关系的进程间调用。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系。
• 命名管道
  • 命名管道也是半双工的通信方式，但是它允许无亲缘关系进程间通信
• 信号量
  • 信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其它进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间同步的手段。
• 消息队列
  • 消息队列是由消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。
• 信号
  • 信号是一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生。
• 共享内存
  • 共享内存就是映射一段能被其它进程所访问的内存，这段共享内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问。共享内存是最快的 IPC 方式，它是针对其它进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其它通信机制，如信号量配合使用，来实现进程间的同步和通信。
• 套接字
  • 套接子也是一种进程间通信机制，与其它通信机制不同的是，它可用于不同机器间的进程通信。

从技术上又可以划分为以下四种：

1. 消息传递(管道、FIFO、消息队列)
2. 同步(互斥量、条件变量、读写锁等)
3. 共享内存(匿名的、命名的)
4. 远程过程调用

上边提了很多实现进程间通信的方式，那 Node 进程间通信是以什么为基础的呢？

2.2 Node 进程间通信方式

NodeIPC 通过通道技术加事件循环方式进行通信，管道技术在 Windows 下由命名管道实现。在*nix 系统则由 Unix Domain Socket 实现，提供给我们简单的 message 事件和 send 方法。

这里提到了管道，那管道是什么？

2.3 什么是管道

管道实际上是在内核中开辟一块缓冲区，它有一个读端一个写端，并传给用户程序两个文件描述符，一个指向读端，一个指向写端口，然后该缓冲存储不同进程间写入的内容，并供不同进程读取内容，进而达到通信的目的。

管道又分为匿名管道和命名管道，匿名管道常见于一个进程 fork 出一个子进程，只能亲缘进程同喜，而命名管道可以让非亲缘进程进行通信。

其实本质上来说进程间通信是利用内核管理一块内存，不同进程可以读写这块内容，进而可以互相通信。

这里又提到了文件描述符，再来了解下文件描述符

2.4 什么是文件描述符

在 linux 中一切皆文件，linux 会给每个文件分配一个 id，这个 id 就是文件描述符，指针也是文件描述符的一种。这个很好理解，不过我们可以再往深了说，一个进程启动后，会在内核空间(虚拟空间的一部分)创建一个 PCB 控制块，PCB 内部有一个文件描述符表，记录着当前进程所有可用的文件描述符（即当前进程所有打开的文件）。系统除了维护文件描述符表外，还需要维护打开文件表(Open file table)和 i-node 表(i-node table)。

文件打开表(Open file table)包含文件偏移量，状态标志，i-node 表指针等信息

i-node 表(i-node table)包括文件类型，文件大小，时间戳，文件锁等信息

文件描述符不是一对一的，它可以：

1. 同一进程的不同文件描述符指向同一文件
2. 不同进程可以拥有相同的文件描述符(比如 fork 出的子进程拥有和父进程一样的文件描述符，或者不同进程打开同一文件)
3. 不同进程的同一文件描述符也可以指向不同的文件
4. 不同进程的不同文件描述符也可以指向同一个文件