Node.js child_process模塊解讀

在介紹child_process模塊以前，先來看一個下面的代碼。

const http = require('http');
const longComputation = () => {
  let sum = 0;
  for (let i = 0; i < 1e10; i++) {
    sum += i;
  };
  return sum;
};
const server = http.createServer();
server.on('request', (req, res) => {
  if (req.url === '/compute') {
    const sum = longComputation();
    return res.end(`Sum is ${sum}`);
  } else {
    res.end('Ok')
  }
});

server.listen(3000);

能夠試一下使用上面的代碼啓動Node.js服務，而後打開兩個瀏覽器選項卡分別訪問/compute和/，能夠發現node服務接收到/compute請求時會進行大量的數值計算，致使沒法響應其餘的請求（/）。

在Java語言中能夠經過多線程的方式來解決上述的問題，可是Node.js在代碼執行的時候是單線程的，那麼Node.js應該如何解決上面的問題呢？其實Node.js能夠建立一個子進程執行密集的cpu計算任務（例如上面例子中的longComputation）來解決問題，而child_process模塊正是用來建立子進程的。

建立子進程的方式

child_process提供了幾種建立子進程的方式

• 異步方式：spawn、exec、execFile、fork
• 同步方式：spawnSync、execSync、execFileSync

首先介紹一下spawn方法

child_process.spawn(command[, args][, options])

command： 要執行的指令
args：    傳遞參數
options： 配置項

const { spawn } = require('child_process');
const child = spawn('pwd');

pwd是shell的命令，用於獲取當前的目錄，上面的代碼執行完控制檯並無任何的信息輸出，這是爲何呢？

控制檯之因此不能看到輸出信息的緣由是因爲子進程有本身的stdio流（stdin、stdout、stderr），控制檯的輸出是與當前進程的stdio綁定的，所以若是但願看到輸出信息，能夠經過在子進程的stdout 與當前進程的stdout之間創建管道實現

child.stdout.pipe(process.stdout);

也能夠監聽事件的方式（子進程的stdio流都是實現了EventEmitter API的，因此能夠添加事件監聽）

child.stdout.on('data', function(data) {
  process.stdout.write(data);
});

在Node.js代碼裏使用的console.log其實底層依賴的就是process.stdout

除了創建管道以外，還能夠經過子進程和當前進程共用stdio的方式來實現

const { spawn } = require('child_process');
const child = spawn('pwd', {
  stdio: 'inherit'
});

stdio選項用於配置父進程和子進程之間創建的管道，因爲stdio管道有三個(stdin, stdout, stderr）所以stdio的三個可能的值實際上是數組的一種簡寫

• pipe 至關於['pipe', 'pipe', 'pipe']（默認值）
• ignore 至關於['ignore', 'ignore', 'ignore']
• inherit 至關於[process.stdin, process.stdout, process.stderr]

因爲inherit方式使得子進程直接使用父進程的stdio，所以能夠看到輸出

ignore用於忽略子進程的輸出（將/dev/null指定爲子進程的文件描述符了），所以當ignore時child.stdout是null。

spawn默認狀況下並不會建立子shell來執行命令，所以下面的代碼會報錯

const { spawn } = require('child_process');
const child = spawn('ls -l');
child.stdout.pipe(process.stdout);

// 報錯
events.js:167
      throw er; // Unhandled 'error' event
      ^

Error: spawn ls -l ENOENT
    at Process.ChildProcess._handle.onexit (internal/child_process.js:229:19)
    at onErrorNT (internal/child_process.js:406:16)
    at process._tickCallback (internal/process/next_tick.js:63:19)
    at Function.Module.runMain (internal/modules/cjs/loader.js:746:11)
    at startup (internal/bootstrap/node.js:238:19)
    at bootstrapNodeJSCore (internal/bootstrap/node.js:572:3)
Emitted 'error' event at:
    at Process.ChildProcess._handle.onexit (internal/child_process.js:235:12)
    at onErrorNT (internal/child_process.js:406:16)
    [... lines matching original stack trace ...]
    at bootstrapNodeJSCore (internal/bootstrap/node.js:572:3)

若是須要傳遞參數的話，應該採用數組的方式傳入

const { spawn } = require('child_process');
const child = spawn('ls', ['-l']);
child.stdout.pipe(process.stdout);

若是要執行ls -l | wc -l命令的話能夠採用建立兩個spawn命令的方式

const { spawn } = require('child_process');
const child = spawn('ls', ['-l']);
const child2 = spawn('wc', ['-l']);
child.stdout.pipe(child2.stdin);
child2.stdout.pipe(process.stdout);

也可使用exec

const { exec } = require('child_process');
exec('ls -l | wc -l', function(err, stdout, stderr) {
  console.log(stdout);
});

因爲exec會建立子shell，因此能夠直接執行shell管道命令。spawn採用流的方式來輸出命令的執行結果，而exec也是將命令的執行結果緩存起來統一放在回調函數的參數裏面，所以exec只適用於命令執行結果數據小的狀況。

其實spawn也能夠經過配置shell option的方式來建立子shell進而支持管道命令，以下所示

const { spawn, execFile } = require('child_process');
const child = spawn('ls -l | wc -l', {
  shell: true
});
child.stdout.pipe(process.stdout);

配置項除了stdio、shell以外還有cwd、env、detached等經常使用的選項

cwd用於修改命令的執行目錄

const { spawn, execFile, fork } = require('child_process');
const child = spawn('ls -l | wc -l', {
  shell: true,
  cwd: '/usr'
});
child.stdout.pipe(process.stdout);

env用於指定子進程的環境變量（若是不指定的話，默認獲取當前進程的環境變量）

const { spawn, execFile, fork } = require('child_process');
const child = spawn('echo $NODE_ENV', {
  shell: true,
  cwd: '/usr'
});
child.stdout.pipe(process.stdout);
NODE_ENV=randal node b.js

// 輸出結果
randal

若是指定env的話就會覆蓋掉默認的環境變量，以下

const { spawn, execFile, fork } = require('child_process');
spawn('echo $NODE_TEST $NODE_ENV', {
  shell: true,
  stdio: 'inherit',
  cwd: '/usr',
  env: {
    NODE_TEST: 'randal-env'
  }
});

NODE_ENV=randal node b.js

// 輸出結果
randal

detached用於將子進程與父進程斷開鏈接

例如假設存在一個長時間運行的子進程

// timer.js
while(true) {

}

可是主進程並不須要長時間運行的話就能夠用detached來斷開兩者之間的鏈接

const { spawn, execFile, fork } = require('child_process');
const child = spawn('node', ['timer.js'], {
  detached: true,
  stdio: 'ignore'
});
child.unref();

當調用子進程的unref方法時，同時配置子進程的stdio爲ignore時，父進程就能夠獨立退出了

execFile與exec不一樣，execFile一般用於執行文件，並且並不會建立子shell環境

fork方法是spawn方法的一個特例，fork用於執行js文件建立Node.js子進程。並且fork方式建立的子進程與父進程之間創建了IPC通訊管道，所以子進程和父進程之間能夠經過send的方式發送消息。

注意：fork方式建立的子進程與父進程是徹底獨立的，它擁有單獨的內存，單獨的V8實例，所以並不推薦建立不少的Node.js子進程

fork方式的父子進程之間的通訊參照下面的例子

parent.js

const { fork } = require('child_process');

const forked = fork('child.js');

forked.on('message', (msg) => {
  console.log('Message from child', msg);
});

forked.send({ hello: 'world' });

child.js

process.on('message', (msg) => {
  console.log('Message from parent:', msg);
});

let counter = 0;

setInterval(() => {
  process.send({ counter: counter++ });
}, 1000);

node parent.js

// 輸出結果
Message from parent: { hello: 'world' }
Message from child { counter: 0 }
Message from child { counter: 1 }
Message from child { counter: 2 }
Message from child { counter: 3 }
Message from child { counter: 4 }
Message from child { counter: 5 }
Message from child { counter: 6 }

回到本文初的那個問題，咱們就能夠將密集計算的邏輯放到單獨的js文件中，而後再經過fork的方式來計算，等計算完成時再通知主進程計算結果，這樣避免主進程繁忙的狀況了。

compute.js

const longComputation = () => {
  let sum = 0;
  for (let i = 0; i < 1e10; i++) {
    sum += i;
  };
  return sum;
};

process.on('message', (msg) => {
  const sum = longComputation();
  process.send(sum);
});

index.js

const http = require('http');
const { fork } = require('child_process');

const server = http.createServer();

server.on('request', (req, res) => {
  if (req.url === '/compute') {
    const compute = fork('compute.js');
    compute.send('start');
    compute.on('message', sum => {
      res.end(`Sum is ${sum}`);
    });
  } else {
    res.end('Ok')
  }
});

server.listen(3000);

監聽進程事件

經過前述幾種方式建立的子進程都實現了EventEmitter，所以能夠針對進程進行事件監聽

經常使用的事件包括幾種：close、exit、error、message

close事件當子進程的stdio流關閉的時候纔會觸發，並非子進程exit的時候close事件就必定會觸發，由於多個子進程能夠共用相同的stdio。

close與exit事件的回調函數有兩個參數code和signal，code代碼子進程最終的退出碼，若是子進程是因爲接收到signal信號終止的話，signal會記錄子進程接受的signal值。

先看一個正常退出的例子

const { spawn, exec, execFile, fork } = require('child_process');
const child = exec('ls -l', {
  timeout: 300
});
child.on('exit', function(code, signal) {
  console.log(code);
  console.log(signal);
});

// 輸出結果
0
null

再看一個由於接收到signal而終止的例子，應用以前的timer文件，使用exec執行的時候並指定timeout

const { spawn, exec, execFile, fork } = require('child_process');
const child = exec('node timer.js', {
  timeout: 300
});
child.on('exit', function(code, signal) {
  console.log(code);
  console.log(signal);
});
// 輸出結果
null
SIGTERM

注意：因爲timeout超時的時候error事件並不會觸發，而且當error事件觸發時exit事件並不必定會被觸發

error事件的觸發條件有如下幾種：

• 沒法建立進程
• 沒法結束進程
• 給進程發送消息失敗

注意當代碼執行出錯的時候，error事件並不會觸發，exit事件會觸發，code爲非0的異常退出碼

const { spawn, exec, execFile, fork } = require('child_process');
const child = exec('ls -l /usrs');
child.on('error', function(code, signal) {
  console.log(code);
  console.log(signal);
});
child.on('exit', function(code, signal) {
  console.log('exit');
  console.log(code);
  console.log(signal);
});

// 輸出結果
exit
1
null

message事件適用於父子進程之間創建IPC通訊管道的時候的信息傳遞，傳遞的過程當中會經歷序列化與反序列化的步驟，所以最終接收到的並不必定與發送的數據相一致。

sub.js

process.send({ foo: 'bar', baz: NaN });

const cp = require('child_process');
const n = cp.fork(`${__dirname}/sub.js`);

n.on('message', (m) => {
  console.log('got message:', m);   // got message: { foo: 'bar', baz: null }
});

關於message有一種特殊狀況要注意，下面的message並不會被子進程接收到

const { fork } = require('child_process');

const forked = fork('child.js');

forked.send({
  cmd: "NODE_foo",
  hello: 'world'
});

當發送的消息裏面包含cmd屬性，而且屬性的值是以NODE_開頭的話，這樣的消息是提供給Node.js自己保留使用的，所以並不會發出message事件，而是會發出internalMessage事件，開發者應該避免這種類型的消息，而且應當避免監聽internalMessage事件。

message除了發送字符串、object以外還支持發送server對象和socket對象，正由於支持socket對象才能夠作到多個Node.js進程監聽相同的端口號。

未完待續......

參考資料

https://medium.freecodecamp.o...

https://nodejs.org/dist/lates...