Node.js Cluster 模块

Java FileNode.js 内置模块

Node.js 的 cluster 模块允许你轻松创建共享同一服务器端口的子进程（worker processes）。由于 Node.js 是单线程的，cluster 模块可以帮助我们充分利用多核 CPU 系统的性能。

简单来说，cluster 模块就像是一家餐厅的经理，它创建多个服务员（worker）来处理顾客（请求），而不是让一个服务员处理所有顾客。

为什么需要 Cluster 模块？

  1. 提高性能：现代 CPU 通常有多个核心，但 Node.js 默认只使用一个核心。cluster 模块可以让你利用所有可用的 CPU 核心。

  2. 提高可靠性：如果一个 worker 崩溃了，其他 worker 可以继续处理请求，主进程可以重新启动崩溃的 worker。

  3. 零停机时间：可以逐个重启 worker 来实现代码更新，而不会中断服务。

Cluster 模块基础用法

实例

const cluster = require('cluster');
const http = require('http');
const numCPUs = require('os').cpus().length;

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

  // 衍生 worker 进程
  for (let i = 0; i < numCPUs; i++) {
    cluster.fork();
  }

  cluster.on('exit', (worker, code, signal) => {
    console.log(`worker ${worker.process.pid} 已退出`);
  });
} else {
  // Worker 可以共享同一个 TCP 连接
  // 这里是一个 HTTP 服务器
  http.createServer((req, res) => {
    res.writeHead(200);
    res.end('你好世界\n');
  }).listen(8000);

  console.log(`Worker ${process.pid} 已启动`);
}

核心概念解析

主进程（Master Process）

  • 负责管理所有 worker 进程
  • 通常不处理实际请求
  • 可以监听 worker 的各种事件

Worker 进程

  • 实际处理请求的子进程
  • 每个 worker 都是独立的 Node.js 进程
  • 共享同一个服务器端口

Cluster 模块常用 API

cluster.fork()

创建一个新的 worker 进程。调用这个方法会返回一个 worker 对象。

cluster.isMaster

如果是主进程，则为 true。

cluster.isWorker

如果是 worker 进程，则为 true。

cluster.workers

包含所有活跃 worker 对象的哈希表，以 worker.id 作为键名。

实际应用场景

1. 负载均衡

实例

// 在主进程中
const cluster = require('cluster');
const numCPUs = require('os').cpus().length;

if (cluster.isMaster) {
  for (let i = 0; i < numCPUs; i++) {
    cluster.fork();
  }
} else {
  require('./app'); // 你的应用入口文件
}

2. 优雅重启

实例

cluster.on('exit', (worker, code, signal) => {
  console.log(`Worker ${worker.process.pid} 退出`);
  // 可以在这里重新 fork 一个新的 worker
  cluster.fork();
});

3. 进程间通信

实例

// 主进程发送消息
worker.send('Hello worker!');

// Worker 接收消息
process.on('message', (msg) => {
  console.log(`Worker ${process.pid} 收到消息: ${msg}`);
});

性能优化技巧

  1. 根据 CPU 核心数创建 worker：通常建议 worker 数量等于 CPU 核心数。

  2. 共享端口：所有 worker 共享同一个端口，操作系统会自动分配请求到不同的 worker。

  3. 共享连接：对于长连接（如 WebSocket），需要考虑连接如何分配到不同的 worker。

  4. 共享状态：worker 之间不共享内存，需要使用 Redis 等外部存储来共享状态。

常见问题与解决方案

1. 内存泄漏

每个 worker 是独立进程，一个 worker 的内存泄漏不会影响其他 worker，但需要监控并重启异常的 worker。

2. 会话保持

如果需要会话保持，可以使用粘性会话（sticky session）或将会话数据存储在外部（如 Redis）。

3. 文件描述符限制

大量 worker 可能导致文件描述符耗尽，需要调整系统限制：

实例

ulimit -n 10000  # 设置文件描述符限制

Cluster 模块的替代方案

虽然 cluster 模块很强大，但也有其他选择：

  1. PM2：进程管理器，内置负载均衡和监控功能
  2. Nginx：反向代理，可以在多个 Node.js 实例间负载均衡
  3. Kubernete：容器编排系统，可以自动扩展 Node.js 服务

总结

Node.js 的 cluster 模块是构建高性能、高可用性网络服务的重要工具。通过创建多个 worker 进程，我们可以：

  1. 充分利用多核 CPU 的性能
  2. 提高应用的可靠性
  3. 实现零停机部署

虽然设置和管理多进程应用比单进程复杂，但对于生产环境中的 Node.js 应用来说，使用 cluster 模块或类似的解决方案几乎是必须的。

希望这篇指南能帮助你理解和使用 Node.js 的 cluster 模块！

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