【Nodejs教程精选】解读Nodejs多核处理模块cluster

从零开始nodejs系列文章，将介绍如何利Javascript做为服务端脚本，通过Nodejs框架web开发。Nodejs框架是基于V8的引擎，是目前速度最快的Javascript引擎。chrome浏览器就基于V8，同时打开20-30个网页都很流畅。Nodejs标准的web开发框架Express，可以帮助我们迅速建立web站点，比起PHP的开发效率更高，而且学习曲线更低。非常适合小型网站，个性化网站，我们自己的Geek网站！！

关于作者

  • 张丹(Conan), 程序员Java,R,PHP,Javascript

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【Nodejs教程精选】解读Nodejs多核处理模块cluster

前言

大家都知道nodejs是一个单进程单线程的服务器引擎，不管有多么的强大硬件，只能利用到单个CPU进行计算。所以，有人开发了第三方的cluster，让node可以利用多核CPU实现并行。

随着nodejs的发展，让nodejs上生产环境，就必须是支持多进程多核处理！在V0.6.0版本，Nodejs内置了cluster的特性。自此，Nodejs终于可以作为一个独立的应用开发解决方案，映入大家眼帘了。

目录

  1. cluster介绍

  2. cluster的简单使用

  3. cluster的工作原理

  4. cluster的API

  5. master和worker的通信

  6. 用cluster实现负载均衡(Load Balance) — win7失败

  7. 用cluster实现负载均衡(Load Balance) — ubuntu成功

  8. cluster负载均衡策略的测试

1. cluster介绍

cluster是一个nodejs内置的模块，用于nodejs多核处理。cluster模块，可以帮助我们简化多进程并行化程序的开发难度，轻松构建一个用于负载均衡的集群。

2. cluster的简单使用

我的系统环境

  • win7 64bit

  • Nodejs:v0.10.5

  • Npm:1.2.19

在win的环境中，我们通过cluster启动多核的node提供web服务。

新建工程目录：

~ D:\workspace\javascript>mkdir nodejs-cluster && cd nodejs-cluster

新建文件：app.js

~ vi app.js
var cluster = require('cluster');
var http = require('http');
var numCPUs = require('os').cpus().length;
if (cluster.isMaster) {
console.log("master start...");
// Fork workers.
for (var i = 0; i

在控制台启动node程序

~ D:\workspace\javascript\nodejs-cluster>node app.js
master start...
listening: worker 2368, Address: 0.0.0.0:57132
listening: worker 1880, Address: 0.0.0.0:57132
listening: worker 1384, Address: 0.0.0.0:57132
listening: worker 1652, Address: 0.0.0.0:57132

master是总控节点，worker是运行节点。然后根据CPU的数量，启动worker。我本地是双核双通道的CPU，所以被检测为4核，启动了4个worker。

3. cluster的工作原理

每个worker进程通过使用child_process.fork()函数，基于IPC（Inter-Process Communication，进程间通信），实现与master进程间通信。

当worker使用server.listen（...）函数时 ，将参数序列传递给master进程。如果master进程已经匹配workers，会将传递句柄给工人。如果master没有匹配好worker，那么会创建一个worker，再传递并句柄传递给worker。

在边界条件，有3个有趣的行为：

注：下面server.listen()，是对底层“http.Server-->net.Server”类的调用。

  • 1. server.listen({fd: 7}):在master和worker通信过程，通过传递文件，master会监听“文件描述为7”，而不是传递“文件描述为7”的引用。

  • 2. server.listen(handle):master和worker通信过程，通过handle函数进行通信，而不用进程联系

  • 3. server.listen(0):在master和worker通信过程，集群中的worker会打开一个随机端口共用，通过socket通信，像上例中的57132

当多个进程都在 accept() 同样的资源的时候，操作系统的负载均衡非常高效。Node.js没有路由逻辑，worker之间没有共享状态。所以，程序要设计得简单一些，比如基于内存的session。

因为workers都是独力运行的，根据程序的需要，它们可以被独立删除或者重启，worker并不相互影响。只要还有workers存活，则master将继续接收连接。Node不会自动维护workers的数目。我们可以建立自己的连接池。

4. cluster的API

官网地址：http://nodejs.org/api/cluster.html#cluster_cluster

cluster对象

cluster的各种属性和函数

  • cluster.setttings:配置集群参数对象

  • cluster.isMaster:判断是不是master节点

  • cluster.isWorker:判断是不是worker节点

  • Event: 'fork': 监听创建worker进程事件

  • Event: 'online': 监听worker创建成功事件

  • Event: 'listening': 监听worker向master状态事件

  • Event: 'disconnect': 监听worker断线事件

  • Event: 'exit': 监听worker退出事件

  • Event: 'setup': 监听setupMaster事件

  • cluster.setupMaster([settings]): 设置集群参数

  • cluster.fork([env]): 创建worker进程

  • cluster.disconnect([callback]): 关闭worket进程

  • cluster.worker: 获得当前的worker对象

  • cluster.workers: 获得集群中所有存活的worker对象

worker对象

worker的各种属性和函数：可以通过cluster.workers, cluster.worket获得。

  • worker.id: 进程ID号

  • worker.process: ChildProcess对象

  • worker.suicide: 在disconnect()后，判断worker是否自杀

  • worker.send(message, [sendHandle]): master给worker发送消息。注：worker给发master发送消息要用process.send(message)

  • worker.kill([signal='SIGTERM']): 杀死指定的worker，别名destory()

  • worker.disconnect(): 断开worker连接，让worker自杀

  • Event: 'message': 监听master和worker的message事件

  • Event: 'online': 监听指定的worker创建成功事件

  • Event: 'listening': 监听master向worker状态事件

  • Event: 'disconnect': 监听worker断线事件

  • Event: 'exit': 监听worker退出事件

5. master和worker的通信

实现cluster的API，让master和worker相互通信。

新建文件: cluster.js

~ vi cluster.js
var cluster = require('cluster');
var http = require('http');
var numCPUs = require('os').cpus().length;
if (cluster.isMaster) {
console.log('[master] ' + "start master...");
for (var i = 0; i

控制台日志：

~ D:\workspace\javascript\nodejs-cluster>node cluster.js
[master] start master...
[worker] start worker ...1
[worker] [master] hi worker1
[worker] start worker ...2
[worker] [master] hi worker2
[master] fork: worker1
[master] fork: worker2
[master] fork: worker3
[master] fork: worker4
[master] online: worker1
[master] online: worker2
[master] message [worker] worker1 received!
[master] message [worker] worker2 received!
[master] listening: worker1,pid:6068, Address:0.0.0.0:3000
[master] listening: worker2,pid:1408, Address:0.0.0.0:3000
[master] online: worker3
[worker] start worker ...3
[worker] [master] hi worker3
[master] message [worker] worker3 received!
[master] listening: worker3,pid:3428, Address:0.0.0.0:3000
[master] online: worker4
[worker] start worker ...4
[worker] [master] hi worker4
[master] message [worker] worker4 received!
[master] listening: worker4,pid:6872, Address:0.0.0.0:3000
[worker] [master] send message to worker1
[worker] [master] send message to worker2
[worker] [master] send message to worker3
[worker] [master] send message to worker4
[master] message [worker] worker1 received!
[master] message [worker] worker2 received!
[master] message [worker] worker3 received!
[master] message [worker] worker4 received!

6. 用cluster实现负载均衡(Load Balance) -- win7失败

新建文件: server.js

~ vi server.js
var cluster = require('cluster');
var http = require('http');
var numCPUs = require('os').cpus().length;
if (cluster.isMaster) {
console.log('[master] ' + "start master...");
for (var i = 0; i

启动服务器：

~ D:\workspace\javascript\nodejs-cluster>node server.js
[master] start master...
[worker] start worker ...1
[worker] start worker ...2
[master] listening: worker1,pid:1536, Address:0.0.0.0:3000
[master] listening: worker2,pid:5920, Address:0.0.0.0:3000
[worker] start worker ...3
[master] listening: worker3,pid:7156, Address:0.0.0.0:3000
[worker] start worker ...4
[master] listening: worker4,pid:2868, Address:0.0.0.0:3000
worker4
worker4
worker4
worker4
worker4
worker4
worker4
worker4

用curl工具访问

C:\Users\Administrator>curl localhost:3000
worker4,PID:2868
C:\Users\Administrator>curl localhost:3000
worker4,PID:2868
C:\Users\Administrator>curl localhost:3000
worker4,PID:2868
C:\Users\Administrator>curl localhost:3000
worker4,PID:2868
C:\Users\Administrator>curl localhost:3000
worker4,PID:2868
C:\Users\Administrator>curl localhost:3000
worker4,PID:2868
C:\Users\Administrator>curl localhost:3000
worker4,PID:2868
C:\Users\Administrator>curl localhost:3000
worker4,PID:2868

我们发现了cluster在win中的bug，只用到worker4。果断切换到Linux测试。

7. 用cluster实现负载均衡(Load Balance) -- ubuntu成功

Linux的系统环境

  • Linux: Ubuntu 12.04.2 64bit Server

  • Node: v0.11.2

  • Npm: 1.2.21

构建项目:不多解释

~ cd :/home/conan/nodejs/
~ mkdir nodejs-cluster && cd nodejs-cluster
~ vi server.js
var cluster = require('cluster');
var http = require('http');
var numCPUs = require('os').cpus().length;
if (cluster.isMaster) {
console.log('[master] ' + "start master...");
for (var i = 0; i

启动服务器

conan@conan-deskop:~/nodejs/nodejs-cluster$ node server.js
[master] start master...
[worker] start worker ...1
[master] listening: worker1,pid:2925, Address:0.0.0.0:3000
[worker] start worker ...3
[master] listening: worker3,pid:2931, Address:0.0.0.0:3000
[worker] start worker ...4
[master] listening: worker4,pid:2932, Address:0.0.0.0:3000
[worker] start worker ...2
[master] listening: worker2,pid:2930, Address:0.0.0.0:3000
worker4
worker2
worker1
worker3
worker4
worker2
worker1

用curl工具访问

C:\Users\Administrator>curl 192.168.1.20:3000
worker4,PID:2932
C:\Users\Administrator>curl 192.168.1.20:3000
worker2,PID:2930
C:\Users\Administrator>curl 192.168.1.20:3000
worker1,PID:2925
C:\Users\Administrator>curl 192.168.1.20:3000
worker3,PID:2931
C:\Users\Administrator>curl 192.168.1.20:3000
worker4,PID:2932
C:\Users\Administrator>curl 192.168.1.20:3000
worker2,PID:2930
C:\Users\Administrator>curl 192.168.1.20:3000
worker1,PID:2925

在Linux环境中，cluster是运行正确的！！！

8. cluster负载均衡策略的测试

我们在Linux下面，完成测试，用过测试软件： siege

安装siege

~ sudo apt-get install siege

启动node cluster

~ node server.js > server.log

运行siege启动命令,每秒50个并发请求。

~ sudo siege -c 50 http://localhost:3000
HTTP/1.1 200   0.00 secs:      16 bytes ==> /
HTTP/1.1 200   0.00 secs:      16 bytes ==> /
HTTP/1.1 200   0.00 secs:      16 bytes ==> /
HTTP/1.1 200   0.01 secs:      16 bytes ==> /
HTTP/1.1 200   0.00 secs:      16 bytes ==> /
HTTP/1.1 200   0.00 secs:      16 bytes ==> /
HTTP/1.1 200   0.00 secs:      16 bytes ==> /
HTTP/1.1 200   0.01 secs:      16 bytes ==> /
HTTP/1.1 200   0.00 secs:      16 bytes ==> /
HTTP/1.1 200   0.00 secs:      16 bytes ==> /
HTTP/1.1 200   0.00 secs:      16 bytes ==> /
HTTP/1.1 200   0.02 secs:      16 bytes ==> /
HTTP/1.1 200   0.00 secs:      16 bytes ==> /
HTTP/1.1 200   0.02 secs:      16 bytes ==> /
HTTP/1.1 200   0.01 secs:      16 bytes ==> /
HTTP/1.1 200   0.01 secs:      16 bytes ==> /
.....
^C
Lifting the server siege...      done.                                                                Transactions:                    3760 hits
Availability:                 100.00 %
Elapsed time:                  39.66 secs
Data transferred:               0.06 MB
Response time:                  0.01 secs
Transaction rate:              94.81 trans/sec
Throughput:                     0.00 MB/sec
Concurrency:                    1.24
Successful transactions:        3760
Failed transactions:               0
Longest transaction:            0.20
Shortest transaction:           0.00
FILE: /var/siege.log
You can disable this annoying message by editing
the .siegerc file in your home directory; change
the directive 'show-logfile' to false.

我们统计结果，执行3760次请求，消耗39.66秒，每秒处理94.81次请求。

查看server.log文件, 

~  ls -l
total 64
-rw-rw-r-- 1 conan conan   756  9月 28 15:48 server.js
-rw-rw-r-- 1 conan conan 50313  9月 28 16:26 server.log
~ tail server.log
worker4
worker1
worker2
worker4
worker1
worker2
worker4
worker3
worker2
worker1

最后，用R语言分析一下:server.log

~ R
> df summary(df)
V1
worker1:1559
worker2:1579
worker3:1570
worker4:1535

我们看到，请求被分配到worker数据量相当。所以，cluster的负载均衡的策略，应该是随机分配的。

好了，我们又学了一个很有用的技能！利用cluster可以构建出多核应用，充分的利用多CPU带业的性能吧！！

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