Nodejs cluster模块深入探究

发布时间：2017-07-20 09:33:19.383 作者： IT网络文摘 (该文来自笔记，点击查看原文)

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由表及里

HTTP服务器用于响应来自客户端的请求，当客户端请求数逐渐增大时服务端的处理机制有多种，如tomcat的多线程、nginx的事件循环等。而对于node而言，由于其也采用事件循环和异步I/O机制，因此在高I/O并发的场景下性能非常好，但是由于单个node程序仅仅利用单核cpu，因此为了更好利用系统资源就需要fork多个node进程执行HTTP服务器逻辑，所以node内建模块提供了child_process和cluster模块。利用child_process模块，我们可以执行shell命令，可以fork子进程执行代码，也可以直接执行二进制文件；利用cluster模块，使用node封装好的API、IPC通道和调度机可以非常简单的创建包括一个master进程下HTTP代理服务器 + 多个worker进程多个HTTP应用服务器的架构，并提供两种调度子进程算法。本文主要针对cluster模块讲述node是如何实现简介高效的服务集群创建和调度的。那么就从代码进入本文的主题：

code1

const cluster = require('cluster');const http = require('http');if (cluster.isMaster) {  let numReqs = 0;
  setInterval(() => {    console.log(`numReqs = ${numReqs}`);
  }, 1000);  function messageHandler(msg) {    if (msg.cmd && msg.cmd === 'notifyRequest') {
      numReqs += 1;
    }
  }  const numCPUs = require('os').cpus().length;  for (let i = 0; i < numCPUs; i++) {
    cluster.fork();
  }  for (const id in cluster.workers) {
    cluster.workers[id].on('message', messageHandler);
  }

} else {  // Worker processes have a http server.
  http.Server((req, res) => {
    res.writeHead(200);
    res.end('hello world\n');

    process.send({ cmd: 'notifyRequest' });
  }).listen(8000);
}

主进程创建多个子进程，同时接受子进程传来的消息，循环输出处理请求的数量；

子进程创建http服务器，侦听8000端口并返回响应。

泛泛的大道理谁都了解，可是这套代码如何运行在主进程和子进程中呢？父进程如何向子进程传递客户端的请求？多个子进程共同侦听8000端口，会不会造成端口reuse error？每个服务器进程最大可有效支持多少并发量？主进程下的代理服务器如何调度请求？这些问题，如果不深入进去便永远只停留在写应用代码的层面，而且不了解cluster集群创建的多进程与使用child_process创建的进程集群的区别，也写不出符合业务的最优代码，因此，深入cluster还是有必要的。

cluster与net

cluster模块与net模块息息相关，而net模块又和底层socket有联系，至于socket则涉及到了系统内核，这样便由表及里的了解了node对底层的一些优化配置，这是我们的思路。介绍前，笔者仔细研读了node的js层模块实现，在基于自身理解的基础上诠释上节代码的实现流程，力图做到清晰、易懂，如果有某些纰漏也欢迎读者指出，只有在互相交流中才能收获更多。

一套代码，多次执行

很多人对code1代码如何在主进程和子进程执行感到疑惑，怎样通过cluster.isMaster判断语句内的代码是在主进程执行，而其他代码在子进程执行呢？

其实只要你深入到了node源码层面，这个问题很容易作答。cluster模块的代码只有一句：

module.exports = ('NODE_UNIQUE_ID' in process.env) ?                  require('internal/cluster/child') :                  require('internal/cluster/master');

只需要判断当前进程有没有环境变量“NODE_UNIQUE_ID”就可知道当前进程是否是主进程；而变量“NODE_UNIQUE_ID”则是在主进程fork子进程时传递进去的参数，因此采用cluster.fork创建的子进程是一定包含“NODE_UNIQUE_ID”的。

这里需要指出的是，必须通过cluster.fork创建的子进程才有NODE_UNIQUE_ID变量，如果通过child_process.fork的子进程，在不传递环境变量的情况下是没有NODE_UNIQUE_ID的。因此，当你在child_process.fork的子进程中执行cluster.isMaster判断时，返回 true。

主进程与服务器

code1中，并没有在cluster.isMaster的条件语句中创建服务器，也没有提供服务器相关的路径、端口和fd，那么主进程中是否存在TCP服务器，有的话到底是什么时候怎么创建的？

相信大家在学习nodejs时阅读的各种书籍都介绍过在集群模式下，主进程的服务器会接受到请求然后发送给子进程，那么问题就来到主进程的服务器到底是如何创建呢？主进程服务器的创建离不开与子进程的交互，毕竟与创建服务器相关的信息全在子进程的代码中。

当子进程执行

http.Server((req, res) => {
    res.writeHead(200);
    res.end('hello world\n');

    process.send({ cmd: 'notifyRequest' });
  }).listen(8000);

时，http模块会调用net模块(确切的说，http.Server继承net.Server)，创建net.Server对象，同时侦听端口。创建net.Server实例，调用构造函数返回。创建的net.Server实例调用listen(8000)，等待accpet连接。那么，子进程如何传递服务器相关信息给主进程呢？答案就在listen函数中。我保证，net.Server.prototype.listen函数绝没有表面上看起来的那么简单，它涉及到了许多IPC通信和兼容性处理，可以说HTTP服务器创建的所有逻辑都在listen函数中。

延伸下，在学习linux下的socket编程时，服务端的逻辑依次是执行socket(),bind(),listen()和accept()，在接收到客户端连接时执行read(),write()调用完成TCP层的通信。那么，对应到node的net模块好像只有listen()阶段，这是不是很难对应socket的四个阶段呢？其实不然，node的net模块把“bind，listen”操作全部写入了net.Server.prototype.listen中，清晰的对应底层socket和TCP三次握手，而向上层使用者只暴露简单的listen接口。

code2

Server.prototype.listen = function() {

  ...  // 根据参数创建 handle句柄
  options = options._handle || options.handle || options;  // (handle[, backlog][, cb]) where handle is an object with a handle
  if (options instanceof TCP) {    this._handle = options;    this[async_id_symbol] = this._handle.getAsyncId();
    listenInCluster(this, null, -1, -1, backlogFromArgs);    return this;
  }

  ...  var backlog;  if (typeof options.port === 'number' || typeof options.port === 'string') {    if (!isLegalPort(options.port)) {      throw new RangeError('"port" argument must be >= 0 and < 65536');
    }
    backlog = options.backlog || backlogFromArgs;    // start TCP server listening on host:port
    if (options.host) {
      lookupAndListen(this, options.port | 0, options.host, backlog,
                      options.exclusive);
    } else { // Undefined host, listens on unspecified address
      // Default addressType 4 will be used to search for master server
      listenInCluster(this, null, options.port | 0, 4,
                      backlog, undefined, options.exclusive);
    }    return this;
  }

  ...  throw new Error('Invalid listen argument: ' + util.inspect(options));
};

由于本文只探究cluster模式下HTTP服务器的相关内容，因此我们只关注有关TCP服务器部分，其他的Pipe（domain socket）服务不考虑。

listen函数可以侦听端口、路径和指定的fd，因此在listen函数的实现中判断各种参数的情况，我们最为关心的就是侦听端口的情况，在成功进入条件语句后发现所有的情况最后都执行了listenInCluster函数而返回，因此有必要继续探究。

code3

function listenInCluster(server, address, port, addressType,
                         backlog, fd, exclusive) {

  ...  if (cluster.isMaster || exclusive) {
    server._listen2(address, port, addressType, backlog, fd);    return;
  }  // 后续代码为worker执行逻辑
  const serverQuery = {
    address: address,
    port: port,
    addressType: addressType,
    fd: fd,
    flags: 0
  };

  ... 

  cluster._getServer(server, serverQuery, listenOnMasterHandle);
}

listenInCluster函数传入了各种参数，如server实例、ip、port、ip类型（IPv6和IPv4）、backlog（底层服务端socket处理请求的最大队列）、fd等，它们不是必须传入，比如创建一个TCP服务器，就仅仅需要一个port即可。

简化后的listenInCluster函数很简单，cluster模块判断当前进程为主进程时，执行_listen2函数；否则，在子进程中执行cluster._getServer函数，同时像函数传递serverQuery对象，即创建服务器需要的相关信息。

因此，我们可以大胆假设，子进程在cluster._getServer函数中向主进程发送了创建服务器所需要的数据，即serverQuery。实际上也确实如此：

code4

cluster._getServer = function(obj, options, cb) {  const message = util._extend({
    act: 'queryServer',
    index: indexes[indexesKey],
    data: null
  }, options);

  send(message, function modifyHandle(reply, handle) => {    if (typeof obj._setServerData === 'function')
      obj._setServerData(reply.data);    if (handle)
      shared(reply, handle, indexesKey, cb);  // Shared listen socket.
    else
      rr(reply, indexesKey, cb);              // Round-robin.
  });

};

子进程在该函数中向已建立的IPC通道发送内部消息message，该消息包含之前提到的serverQuery信息，同时包含act: 'queryServer'字段，等待服务端响应后继续执行回调函数modifyHandle。

主进程接收到子进程发送的内部消息，会根据act: 'queryServer'执行对应queryServer方法，完成服务器的创建，同时发送回复消息给子进程，子进程执行回调函数modifyHandle，继续接下来的操作。

至此，针对主进程在cluster模式下如何创建服务器的流程已完全走通，主要的逻辑是在子进程服务器的listen过程中实现。

net模块与socket

上节提到了node中创建服务器无法与socket创建对应的问题，本节就该问题做进一步解释。在net.Server.prototype.listen函数中调用了listenInCluster函数，listenInCluster会在主进程或者子进程的回调函数中调用_listen2函数，对应底层服务端socket建立阶段的正是在这里。

function setupListenHandle(address, port, addressType, backlog, fd) {  // worker进程中，_handle为fake对象，无需创建
  if (this._handle) {
    debug('setupListenHandle: have a handle already');
  } else {
    debug('setupListenHandle: create a handle');    if (rval === null)
      rval = createServerHandle(address, port, addressType, fd);    this._handle = rval;
  }  this[async_id_symbol] = getNewAsyncId(this._handle);  this._handle.onconnection = onconnection;  var err = this._handle.listen(backlog || 511);

}

通过createServerHandle函数创建句柄（句柄可理解为用户空间的socket），同时给属性onconnection赋值，最后侦听端口，设定backlog。

那么，socket处理请求过程“socket(),bind()”步骤就是在createServerHandle完成。

function createServerHandle(address, port, addressType, fd) {  var handle;  // 针对网络连接，绑定地址
  if (address || port || isTCP) {    if (!address) {
      err = handle.bind6('::', port);      if (err) {
        handle.close();        return createServerHandle('0.0.0.0', port);
      }
    } else if (addressType === 6) {
      err = handle.bind6(address, port);
    } else {
      err = handle.bind(address, port);
    }
  }  return handle;
}

在createServerHandle中，我们看到了如何创建socket（createServerHandle在底层利用node自己封装的类库创建TCP handle），也看到了bind绑定ip和地址，那么node的net模块如何接收客户端请求呢？

必须深入c++模块才能了解node是如何实现在c++层面调用js层设置的onconnection回调属性，v8引擎提供了c++和js层的类型转换和接口透出，在c++的tcp_wrap中：

void TCPWrap::Listen(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
  TCPWrap* wrap;
  ASSIGN_OR_RETURN_UNWRAP(&wrap,
                          args.Holder(),
                          args.GetReturnValue().Set(UV_EBADF));  int backloxxg = args[0]->Int32Value();  int err = uv_listen(reinterpret_cast<uv_stream_t*>(&wrap->handle_),
                      backlog,
                      OnConnection);
  args.GetReturnValue().Set(err);
}

我们关注uv_listen函数，它是libuv封装后的函数，传入了handle_,backlog和OnConnection回调函数，其中handle_为node调用libuv接口创建的socket封装，OnConnection函数为socket接收客户端连接时执行的操作。我们可能会猜测在js层设置的onconnction函数最终会在OnConnection中调用，于是进一步深入探查node的connection_wrap c++模块：

template <typename WrapType, typename UVType>void ConnectionWrap<WrapType, UVType>::OnConnection(uv_stream_t* handle,                                                    int status) {  if (status == 0) {    if (uv_accept(handle, client_handle))      return;    // Successful accept. Call the onconnection callback in JavaScript land.
    argv[1] = client_obj;
  }
  wrap_data->MakeCallback(env->onconnection_string(), arraysize(argv), argv);
}

过滤掉多余信息便于分析。当新的客户端连接到来时，libuv调用OnConnection，在该函数内执行uv_accept接收连接，最后将js层的回调函数onconnection[通过env->onconnection_string()获取js的回调]和接收到的客户端socket封装传入MakeCallback中。其中，argv数组的第一项为错误信息，第二项为已连接的clientSocket封装，最后在MakeCallback中执行js层的onconnection函数，该函数的参数正是argv数组传入的数据，“错误代码和clientSocket封装”。

js层的onconnection回调

function onconnection(err, clientHandle) {  var handle = this;  if (err) {    self.emit('error', errnoException(err, 'accept'));    return;
  }  var socket = new Socket({
    handle: clientHandle,
    allowHalfOpen: self.allowHalfOpen,
    pauseOnCreate: self.pauseOnConnect
  });
  socket.readable = socket.writable = true;  self.emit('connection', socket);
}

这样，node在C++层调用js层的onconnection函数，构建node层的socket对象，并触发connection事件，完成底层socket与node net模块的连接与请求打通。

至此，我们打通了socket连接建立过程与net模块（js层）的流程的交互，这种封装让开发者在不需要查阅底层接口和数据结构的情况下，仅使用node提供的http模块就可以快速开发一个应用服务器，将目光聚集在业务逻辑中。

backlog是已连接但未进行accept处理的socket队列大小。在linux 2.2以前，backlog大小包括了半连接状态和全连接状态两种队列大小。linux 2.2以后，分离为两个backlog来分别限制半连接SYN_RCVD状态的未完成连接队列大小跟全连接ESTABLISHED状态的已完成连接队列大小。这里的半连接状态，即在三次握手中，服务端接收到客户端SYN报文后并发送SYN+ACK报文后的状态，此时服务端等待客户端的ACK，全连接状态即服务端和客户端完成三次握手后的状态。backlog并非越大越好，当等待accept队列过长，服务端无法及时处理排队的socket，
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