概述

基本用法

Node.js默认单进程运行，对于32位系统最高可以使用512MB内存，对于64位最高可以使用1GB内存。对于多核CPU的计算机来说，这样做效率很低，因为只有一个核在运行，其他核都在闲置。cluster模块就是为了解决这个问题而提出的。

cluster模块允许设立一个主进程和若干个worker进程，由主进程监控和协调worker进程的运行。worker之间采用进程间通信交换消息，cluster模块内置一个负载均衡器，采用Round-robin算法协调各个worker进程之间的负载。运行时，所有新建立的链接都由主进程完成，然后主进程再把TCP连接分配给指定的worker进程。

javascript
var cluster = require('cluster');
var os = require('os');

if (cluster.isMaster){
  for (var i = 0, n = os.cpus().length; i < n; i += 1){
    cluster.fork();
  }
} else {
  http.createServer(function(req, res) {
    res.writeHead(200);
    res.end("hello world\n");
  }).listen(8000);
}

上面代码先判断当前进程是否为主进程（cluster.isMaster），如果是的，就按照CPU的核数，新建若干个worker进程；如果不是，说明当前进程是worker进程，则在该进程启动一个服务器程序。

上面这段代码有一个缺点，就是一旦work进程挂了，主进程无法知道。为了解决这个问题，可以在主进程部署online事件和exit事件的监听函数。

javascript
var cluster = require('cluster');

if(cluster.isMaster) {
  var numWorkers = require('os').cpus().length;
  console.log('Master cluster setting up ' + numWorkers + ' workers...');

for(var i = 0; i < numWorkers; i++) {
  cluster.fork();
}

cluster.on('online', function(worker) {
  console.log('Worker ' + worker.process.pid + ' is online');
});

cluster.on('exit', function(worker, code, signal) {
  console.log('Worker ' + worker.process.pid + ' died with code: ' + code + ', and signal: ' + signal);
  console.log('Starting a new worker');
  cluster.fork();
});

}

上面代码中，主进程一旦监听到worker进程的exit事件，就会重启一个worker进程。worker进程一旦启动成功，可以正常运行了，就会发出online事件。

worker对象

worker对象是cluster.fork()的返回值，代表一个worker进程。

它的属性和方法如下。

（1）worker.id

work.id返回当前worker的独一无二的进程编号。这个编号也是cluster.workers中指向当前进程的索引值。

（2）worker.process

所有的worker进程都是用child_process.fork()生成的。child_process.fork()返回的对象，就被保存在worker.process之中。通过这个属性，可以获取worker所在的进程对象。

（3）worker.send()

该方法用于在主进程中，向子进程发送信息。

javascript
if (cluster.isMaster) {
  var worker = cluster.fork();
  worker.send('hi there');
} else if (cluster.isWorker) {
  process.on('message', function(msg) {
    process.send(msg);
  });
}

上面代码的作用是，worker进程对主进程发出的每个消息，都做回声。

在worker进程中，要向主进程发送消息，使用process.send(message)；要监听主进程发出的消息，使用下面的代码。

javascript
process.on('message', function(message) {
  console.log(message);
});

发出的消息可以字符串，也可以是JSON对象。下面是一个发送JSON对象的例子。

javascript
worker.send({
  type: 'task 1',
  from: 'master',
  data: {
    // the data that you want to transfer
  }
});

cluster.workers对象

该对象只有主进程才有，包含了所有worker进程。每个成员的键值就是一个worker进程对象，键名就是该worker进程的worker.id属性。

javascript
function eachWorker(callback) {
  for (var id in cluster.workers) {
    callback(cluster.workers[id]);
  }
}
eachWorker(function(worker) {
  worker.send('big announcement to all workers');
});

上面代码用来遍历所有worker进程。

当前socket的data事件，也可以用id属性识别worker进程。

javascript
socket.on('data', function(id) {
  var worker = cluster.workers[id];
});

cluster模块的属性与方法

isMaster，isWorker

isMaster属性返回一个布尔值，表示当前进程是否为主进程。这个属性由process.env.NODE_UNIQUE_ID决定，如果process.env.NODE_UNIQUE_ID为未定义，就表示该进程是主进程。

isWorker属性返回一个布尔值，表示当前进程是否为work进程。它与isMaster属性的值正好相反。

fork()

fork方法用于新建一个worker进程，上下文都复制主进程。只有主进程才能调用这个方法。

该方法返回一个worker对象。

kill()

kill方法用于终止worker进程。它可以接受一个参数，表示系统信号。

如果当前是主进程，就会终止与worker.process的联络，然后将系统信号法发向worker进程。如果当前是worker进程，就会终止与主进程的通信，然后退出，返回0。

在以前的版本中，该方法也叫做 worker.destroy() 。

listening事件

worker进程调用listen方面以后，“listening”就传向该进程的服务器，然后传向主进程。

该事件的回调函数接受两个参数，一个是当前worker对象，另一个是地址对象，包含网址、端口、地址类型（IPv4、IPv6、Unix socket、UDP）等信息。这对于那些服务多个网址的Node应用程序非常有用。

javascript
cluster.on('listening', function(worker, address) {
  console.log("A worker is now connected to " + address.address + ":" + address.port);
});

不中断地重启Node服务

思路

重启服务需要关闭后再启动，利用cluster模块，可以做到先启动一个worker进程，再把原有的所有work进程关闭。这样就能实现不中断地重启Node服务。

首先，主进程向worker进程发出重启信号。

javascript
workers[wid].send({type: 'shutdown', from: 'master'});

worker进程监听message事件，一旦发现内容是shutdown，就退出。

javascript
process.on('message', function(message) {
  if(message.type === 'shutdown') {
    process.exit(0);
  }
});

下面是一个关闭所有worker进程的函数。

javascript
function restartWorkers() {
  var wid, workerIds = [];
  for(wid in cluster.workers) {
    workerIds.push(wid);
  }

  workerIds.forEach(function(wid) {
    cluster.workers[wid].send({
      text: 'shutdown',
      from: 'master'
     });
    setTimeout(function() {
      if(cluster.workers[wid]) {
        cluster.workers[wid].kill('SIGKILL');
      }
    }, 5000);
  });
};

实例

下面是一个完整的实例，先是主进程的代码master.js。

javascript
var cluster = require('cluster');

console.log('started master with ' + process.pid);

// 新建一个worker进程
cluster.fork();

process.on('SIGHUP', function () {
  console.log('Reloading...');
  var new_worker = cluster.fork();
  new_worker.once('listening', function () {
    // 关闭所有其他worker进程
    for(var id in cluster.workers) {
      if (id === new_worker.id.toString()) continue;
      cluster.workers[id].kill('SIGTERM');
    }
  });
});

上面代码中，主进程监听SIGHUP事件，如果发生该事件就关闭其他所有worker进程。之所以是SIGHUP事件，是因为nginx服务器监听到这个信号，会创造一个新的worker进程，重新加载配置文件。另外，关闭worker进程时，主进程发送SIGTERM信号，这是因为Node允许多个worker进程监听同一个端口。

下面是worker进程的代码server.js。

javascript
var cluster = require('cluster');

if (cluster.isMaster) {
  require('./master');
  return;
}

var express = require('express');
var http = require('http');
var app = express();

app.get('/', function (req, res) {
  res.send('ha fsdgfds gfds gfd!');
});

http.createServer(app).listen(8080, function () {
  console.log('http://localhost:8080');
});

使用时代码如下。

bash
$ node server.js
started master with 10538
http://localhost:8080

然后，向主进程连续发出两次SIGHUP信号。

bash
$ kill -SIGHUP 10538
$ kill -SIGHUP 10538

主进程会连续两次新建一个worker进程，然后关闭所有其他worker进程，显示如下。

bash
Reloading...
http://localhost:8080
Reloading...
http://localhost:8080

最后，向主进程发出SIGTERM信号，关闭主进程。

bash
$ kill 10538

PM2模块

PM2模块是cluster模块的一个包装层。它的作用是尽量将cluster模块抽象掉，让用户像使用单进程一样，部署多进程Node应用。

javascript
// app.js
var http = require('http');

http.createServer(function(req, res) {
  res.writeHead(200);
  res.end("hello world");
}).listen(8080);

上面代码是标准的Node架设Web服务器的方式，然后用PM2从命令行启动这段代码。

javascript
$ pm2 start app.js -i 4

上面代码的i参数告诉PM2，这段代码应该在cluster_mode启动，且新建worker进程的数量是4个。如果i参数的值是0，那么当前机器有几个CPU内核，PM2就会启动几个worker进程。

如果一个worker进程由于某种原因挂掉了，会立刻重启该worker进程。

bash
# 重启所有worker进程
$ pm2 reload all

每个worker进程都有一个id，可以用下面的命令查看单个worker进程的详情。

bash
$ pm2 show <worker id>

正确情况下，PM2采用fork模式新建worker进程，即主进程fork自身，产生一个worker进程。pm2 reload命令则会用spawn方式启动，即一个接一个启动worker进程，一个新的worker启动成功，再杀死一个旧的worker进程。采用这种方式，重新部署新版本时，服务器就不会中断服务。

bash
$ pm2 reload <脚本文件名>

关闭worker进程的时候，可以部署下面的代码，让worker进程监听shutdown消息。一旦收到这个消息，进行完毕收尾清理工作再关闭。

javascript
process.on('message', function(msg) {
  if (msg === 'shutdown') {
    close_all_connections();
    delete_logs();
    server.close();
    process.exit(0);
  }
});

Node.js 回调函数

Node.js 异步编程的直接体现就是回调。 异步编程依托于回调来实现，但不能说使用了回调后程序就异步化了。 回调函数在完成任务后就会被调用，Node 使用了大量的回调函数，Node 所有 API 都支持回调函数。 例如，我们可以一边读取文件，一边执行其他命令，在文件读取完成后，我们将文件内容作为回调函数的参数返回。这样在执行代码时就没有阻塞或等待文件 I/O 操作。这就大大提高了 Node.js 的性能，可以处理大量的并发请求。

阻塞代码实例

创建一个文件 input.txt ，内容如下：

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创建 main.js 文件, 代码如下：

var fs = require("fs");
var data = fs.readFileSync('input.txt');
console.log(data.toString());
console.log("程序执行结束!");

非阻塞代码实例

var fs = require("fs");

fs.readFile('input.txt', function (err, data) {
    if (err) return console.error(err);
    console.log(data.toString());
});
console.log("程序执行结束!");

以上两个实例我们了解了阻塞与非阻塞调用的不同。
第一个实例在文件读取完后才执行完程序。
第二个实例我们呢不需要等待文件读取完，这样就可以在读取文件时同时执行接下来的代码，大大提高了程序的性能。
因此，阻塞按是按顺序执行的，而非阻塞是不需要按顺序的，所以如果需要处理回调函数的参数，我们就需要写在回调函数内。

Node.js 事件循环

Node.js 是单进程单线程应用程序，但是通过事件和回调支持并发，所以性能非常高。 Node.js 的每一个 API 都是异步的，并作为一个独立线程运行，使用异步函数调用，并处理并发。 Node.js 基本上所有的事件机制都是用设计模式中观察者模式实现。 Node.js 单线程类似进入一个while(true)的事件循环，直到没有事件观察者退出，每个异步事件都生成一个事件观察者，如果有事件发生就调用该回调函数.

事件驱动程序

Node.js 使用事件驱动模型，当web server接收到请求，就把它关闭然后进行处理，然后去服务下一个web请求。 当这个请求完成，它被放回处理队列，当到达队列开头，这个结果被返回给用户。 这个模型非常高效可扩展性非常强，因为webserver一直接受请求而不等待任何读写操作。（这也被称之为非阻塞式IO或者事件驱动IO） 在事件驱动模型中，会生成一个主循环来监听事件，当检测到事件时触发回调函数。 整个事件驱动的流程就是这么实现的，非常简洁。有点类似于观察者模式，事件相当于一个主题(Subject)，而所有注册到这个事件上的处理函数相当于观察者(Observer)。 Node.js 有多个内置的事件，我们可以通过引入 events 模块，并通过实例化 EventEmitter 类来绑定和监听事件，如下实例： 给一个按钮绑定一个点击事件，当点击之后回调回调函数。

// 引入events模块
var events = require('events');

// 创建按钮对象
var button = new events.EventEmitter();

// 绑定事件及事件的处理程序
button.on('click', function(){console.log('点击了按钮');});

// 触发事件
button.emit('click');