【Node.js从基础到高级运用】二十五、Node.js中Cluster的作用

引言

Node.js中的cluster模块允许您轻松创建共享服务器端口的子进程。这是一个核心模块，用于在Node.js应用程序中实现多进程架构，以充分利用多核CPU系统的计算能力。

cluster介绍

当您启动一个Node.js应用程序时，默认情况下它运行在单个进程中。对于多核CPU系统来说，这意味着您可能没有充分利用系统的全部潜力。通过使用cluster模块，您可以启动一个主进程（通常称为“master”或“主”进程），它可以分叉多个工作进程（“workers”或“工作进程”），每个工作进程都是应用程序的一个实例，运行在自己的进程中。

主进程不负责处理实际的工作负载，而是负责监控和管理工作进程。例如，它可以根据需要创建新的工作进程或替换已经崩溃的工作进程。这样，即使某个工作进程崩溃，整个应用程序也可以继续运行。

cluster模块的基本使用步骤如下：

1. 引入cluster模块。
2. 使用cluster.isMaster属性检查当前进程是否是主进程。
3. 在主进程中，使用cluster.fork()方法创建工作进程。
4. 设置必要的事件监听，以便于主进程可以响应工作进程的启动、退出等事件。
5. 在工作进程中，编写实际处理客户端请求的代码。

使用cluster模块的好处包括：

• 提高性能：通过在多个核心上并行运行，可以更有效地利用服务器的硬件资源。
• 提高可靠性：如果一个工作进程崩溃，它可以被新的工作进程替换，而不会影响其他工作进程或主进程。
• 负载分配：Node.js的cluster模块可以在工作进程之间自动分配连接，以实现负载均衡。

基础使用

使用 cluster 模块来创建一个能够处理多核 CPU 的服务器。

// 导入http和cluster模块
const http = require('http');
const cluster = require('cluster');
const numCPUs = require('os').cpus().length; // 获取CPU的核心数

if (cluster.isMaster) {
    console.log(`主进程 ${process.pid} 正在运行`);

    // 衍生工作进程。
    for (let i = 0; i < numCPUs; i++) {
        cluster.fork();
    }

    cluster.on('exit', (worker, code, signal) => {
        console.log(`工作进程 ${worker.process.pid} 已退出`);
    });
} else {
    // 工作进程可以共享任何TCP连接。
    // 在本例中，它是一个HTTP服务器
    http.createServer((req, res) => {
        res.writeHead(200);
        res.end('Hello World!');
    }).listen(3000);

    console.log(`工作进程 ${process.pid} 已启动`);
}
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代码解释：

1. 引入模块: 引入 http, cluster, 和 os 模块。
2. 主进程与工作进程逻辑: 使用 cluster.isMaster 来区分代码执行是在主进程还是工作进程中。
3. 主进程逻辑:
   • 主进程负责打印当前进程的 PID，并根据 CPU 核心数衍生相应数量的工作进程。
   • 监听 exit 事件以打印退出的工作进程信息。
4. 工作进程逻辑:
   • 每个工作进程都设置了一个 HTTP 服务器监听同一个端口（3000端口）。
   • 工作进程的启动会被记录在日志中。

使用这种方法，Node.js 应用可以有效地利用多核 CPU，提高应用的处理能力和响应速度。

进阶使用：零停机重启

const http = require("http");
const cluster = require("cluster");
const os = require("os");
  //cpu数量（几核）
const cpus = os.cpus().length;
// console.log(`Clustering to ${cpus} CPUS`);
var express = require("express")();
//主进程
if (cluster.isMaster) {
  console.log("master process id :", process.pid);

  for (let i = 0; i < cpus; i++) {
    //分派子进程
    cluster.fork();
  }

  //服务器收到这个消息,退出任务
  process.on("SIGINT", function () {
    console.log("ctrl+c");
    process.exit();
  });


  express.listen(9000);

  // 当主进程收到指定消息时（访问restart），开始“零停机重启”操作。
  express.get("/restart", function (req, res, next) {
    const workers = Object.keys(cluster.workers);
    // console.log('workers',workers)
    //重启函数
    function restart_worker(i) {
      if (i >= workers.length) return;

      //第i个工作进程
      var worker = cluster.workers[workers[i]];
      console.log(`Stoping worker:${worker.process.pid}`);

      //中断工作进程
      worker.disconnect();

      //工作进程退出时
      worker.on("exit", function () {

        //启动工作进程
        const new_worker = cluster.fork();

        //当新的工作进程，准备好，并开始监听新的连接时，迭代重启下一个工作子进程
        new_worker.on("listening", function () {
          restart_worker(i + 1);
        })
      });
    }

    //重启第一个工作进程
    restart_worker(0);

    res.end("restart ok");

  });

} else {
  //子进程执行内容

  const pid = process.pid;

  http.createServer(function (req, res) {
    console.log(`Handing request from ${pid}`);
    res.end(`Hello from ${pid}\n`);
  }).listen(8000, function () {
    console.log(`Started ${pid}`);
  })

}
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代码解析：

集群主进程用express提供web服务；

集群子工作进程用http提供web服务；
当主进程收到指定消息时（访问restart路径），开始“零停机重启”操作。

实现重点是：停掉一个工作进程，并重启一个新的工作进程，当新的工作进程启动好，并进入监听状态时（即：可正常提供Web服务时），再重启下一个工作进程，直到全部重启完成。

执行效果：

为了更直观展示效果加入一行代码：

http.createServer(function (req, res) {
    console.log(`Handing request from ${pid}`);
    res.end(`Hello from ${pid}\n`);
  }).listen(8000, function () {
    console.log(`Started ${pid}`);
    
    console.log(`${pid} hello 7777777777777777777777`)
  })
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此时先启动服务：

node test25
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再次修改代码：

http.createServer(function (req, res) {
    console.log(`Handing request from ${pid}`);
    res.end(`Hello from ${pid}\n`);
  }).listen(8000, function () {
    console.log(`Started ${pid}`);
    
    console.log(`${pid} hello 8888888888888888888888`)
  })
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通过网页打开http://localhost:9000/restart触发重启：

结果：

总结

需要注意的是，cluster模块并不是万能的。例如，在有状态的应用程序中，您可能需要考虑如何在工作进程之间共享状态。此外，如果您的应用程序主要受到I/O限制而不是CPU限制，那么增加更多的工作进程可能不会带来太大的性能提升。

参考

Nodejs教程63：零停机重启