Node.js 真·多執行緒 Worker Threads 初探

Azard • 熊偉倫發表於2018-12-15
Node.js執行緒thread

基本資訊

筆者在 Node.js 最新的開發版本 v11.4.0 上測試該特性，目前需要新增 flag 才能引入 Worker Threads，例如：

node --experimental-worker index.js
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Worker Threads 特性是在2018年6月20日的 v10.5.0 版本引入的：

node/CHANGELOG

目前該模組處於 Stability 1 - Experimental 階段，改動會較大，不建議用於生產環境。

模組介面

const {
  isMainThread, parentPort, workerData, threadId,
  MessageChannel, MessagePort, Worker
} = require('worker_threads');
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該模組物件和類非常少，只有4個物件和3個類。

  • isMainThread：false 表示當前為 worker 執行緒，false 表示為主執行緒
  • parentPort: 在 worker 執行緒裡是表示父程式的 MessagePort 型別的物件，在主執行緒裡為 null
  • workerData: 在 worker 執行緒裡是父程式建立 worker 執行緒時的初始化資料，在主執行緒裡是 undefined
  • threadId: 在 worker 執行緒裡是執行緒 ID，在父程式裡是 0。
  • MessageChannel: 包含兩個已經互相能夠誇執行緒通訊的 MessagePort 型別物件，可用於建立自定義的通訊頻道，可參考樣例二的實現。
  • MessagePort: 用於跨執行緒通訊的控制程式碼，繼承了 EventEmitter，包括 close message 事件用於接收物件關閉和傳送的訊息，以及 close postMessage 等操作。
  • Worker: 主執行緒用於建立 worker 執行緒的物件型別，包含所有的 MessagePort 操作以及一些特有的子執行緒 meta data 操作。建構函式的第一個引數是子執行緒執行的入口指令碼程式，第二個引數包含一些配置項，可以指定一些初始引數。 詳細內容見文件

記憶體模型的變更

在使用 cluster 和 child_process 時通常使用 SharedArrayBuffer 來實現需要多程式共享的記憶體。

port.postMessage(value[, transferList])
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現在 Worker Threads 模組在 API 層不建議多執行緒共享記憶體，第一個引數 value 的值會被 clone 一份在接受訊息的執行緒。transferList 只能傳遞 ArrayBuffer 或者 MessagePort 物件，傳遞 ArrayBuffer 會修改該 Buffer 的訪問許可權給接受訊息的執行緒，傳遞 MessagePort 可以參考樣例二。

所有跨執行緒訊息的通訊都通過走底層的 v8 序列化實現，更具體的 Worker Threads 和 v8 多執行緒模型以及和瀏覽器的 Web Worker 標準的關係暫不展開。

樣例一：主執行緒和 worker 執行緒通訊計數，計數到 5 後 worker 執行緒自殺

const {
  isMainThread, parentPort, workerData, threadId,
  MessageChannel, MessagePort, Worker
} = require('worker_threads');

function mainThread() {
  const worker = new Worker(__filename, { workerData: 0 });
  worker.on('exit', code => { console.log(`main: worker stopped with exit code ${code}`); });
  worker.on('message', msg => {
    console.log(`main: receive ${msg}`);
    worker.postMessage(msg + 1);
  });
}

function workerThread() {
  console.log(`worker: threadId ${threadId} start with ${__filename}`);
  console.log(`worker: workerDate ${workerData}`);
  parentPort.on('message', msg => {
    console.log(`worker: receive ${msg}`);
    if (msg === 5) { process.exit(); }
    parentPort.postMessage(msg);
  }),
  parentPort.postMessage(workerData);
}

if (isMainThread) {
  mainThread();
} else {
  workerThread();
}
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輸出結果：

worker: threadId 1 start with /Users/azard/test/index.js
worker: workerDate 0
main: receive 0
worker: receive 1
main: receive 1
worker: receive 2
main: receive 2
worker: receive 3
main: receive 3
worker: receive 4
main: receive 4
worker: receive 5
main: receive 5
main: worker stopped with exit code 0
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樣例二：使用 MessageChannel 讓兩個子執行緒直接通訊

const {
  isMainThread, parentPort, workerData, threadId,
  MessageChannel, MessagePort, Worker
} = require('worker_threads');

if (isMainThread) {
  const worker1 = new Worker(__filename);
  const worker2 = new Worker(__filename);
  const subChannel = new MessageChannel();
  worker1.postMessage({ hereIsYourPort: subChannel.port1 }, [subChannel.port1]);
  worker2.postMessage({ hereIsYourPort: subChannel.port2 }, [subChannel.port2]);
} else {
  parentPort.once('message', (value) => {
    value.hereIsYourPort.postMessage('hello');
    value.hereIsYourPort.on('message', msg => {
      console.log(`thread ${threadId}: receive ${msg}`);
    });
  });
}
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輸出：

thread 2: receive hello
thread 1: receive hello
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總結

現在 Node.js 有了真多執行緒，不需要再用 cluster 或者 child_process 的多程式來處理一些問題了，相關的框架、庫的模型在 Worker Threads 穩定後也可以開始進行迭代更新。

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