但是这种做法有个缺陷，就是我们无法利用服务器CPU多核的性能，一个Node进程只能利用一个CPU。而且单线程模式下一旦代码崩溃就是整个程序崩溃。通常解决方案就是使用Node的cluster模块，通过master-worker模式启用多个进程实例。下面我们详细讲述下，Node如何使用多进程模型利用多核CPU，以及自带的cluster模块具体的工作原理。

如何创建子进程

node提供了child_process模块用来进行子进程的创建，该模块一共有四个方法用来创建子进程。

const { spawn, exec, execFile, fork } = require(‘child_process‘)

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

exec(command[, options][, callback])

execFile(file[, args][, options][, callback])

fork(modulePath[, args][, options])
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spawn

首先认识一下spawn方法，下面是Node文档的官方实例。

const { spawn } = require(‘child_process‘);
const child = spawn(‘ls‘, [‘-lh‘, ‘/home‘]);

child.on(‘close‘, (code) => {
  console.log(`子进程退出码：${code}`);
});

const { stdin, stdout, stderr } = child

stdout.on(‘data‘, (data) => {
  console.log(`stdout: ${data}`);
});

stderr.on(‘data‘, (data) => {
  console.log(`stderr: ${data}`);
});
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通过spawn创建的子进程，继承自EventEmitter，所以可以在上面进行事件（discount，error，close，message）的监听。同时子进程具有三个输入输出流：stdin、stdout、stderr，通过这三个流，可以实时获取子进程的输入输出和错误信息。

这个方法的最终实现基于libuv，这里不再展开讨论，感兴趣可以查看源码。

// 调用libuv的api，初始化一个进程
int err = uv_spawn(env->event_loop(), &wrap->process_, &options);
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exec/execFile

之所以把这两个放到一起，是因为exec最后调用的就是execFile方法，源码在这里。唯一的区别是，exec中调用的normalizeExecArgs方法会将opts的shell属性默认设置为true。

exports.exec = function exec(/* command , options, callback */) {
  const opts = normalizeExecArgs.apply(null, arguments);
  return exports.execFile(opts.file, opts.options, opts.callback);
};

function normalizeExecArgs(command, options, callback) {
  options = { ...options };
  options.shell = typeof options.shell === ‘string‘ ? options.shell : true;
  return { options };
}
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在execFile中，最终调用的是spawn方法。

exports.execFile = function execFile(file /* , args, options, callback */) {
  let args = [];
  let callback;
  let options;
  var child = spawn(file, args, {
    // ... some options
  });
  
  return child;
}
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exec会将spawn的输入输出流转换成String，默认使用UTF-8的编码，然后传递给回调函数，使用回调方式在node中较为熟悉，比流更容易操作，所以我们能使用exec方法执行一些shell命令，然后在回调中获取返回值。有点需要注意，这里的buffer是有最大缓存区的，如果超出会直接被kill掉，可用通过maxBuffer属性进行配置（默认: 200*1024）。

const { exec } = require(‘child_process‘);
exec(‘ls -lh /home‘, (error, stdout, stderr) => {
  console.log(`stdout: ${stdout}`);
  console.log(`stderr: ${stderr}`);
});
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fork

fork最后也是调用spawn来创建子进程，但是fork是spawn的一种特殊情况，用于衍生新的 Node.js 进程，会产生一个新的V8实例，所以执行fork方法时需要指定一个js文件。

exports.fork = function fork(modulePath /* , args, options */) {
  // ...
  
  options.shell = false;

  return spawn(options.execPath, args, options);
};
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通过fork创建子进程之后，父子进程直接会创建一个IPC（进程间通信）通道，方便父子进程直接通信，在js层使用 process.send(message) 和 process.on(‘message‘, msg => {}) 进行通信。而在底层，实现进程间通信的方式有很多，Node的进程间通信基于libuv实现，不同操作系统实现方式不一致。在*unix系统中采用Unix Domain Socket方式实现，Windows中使用命名管道的方式实现。

常见进程间通信方式：消息队列、共享内存、pipe、信号量、套接字

下面是一个父子进程通信的实例。

parent.js

const path = require(‘path‘)
const { fork } = require(‘child_process‘)

const child = fork(path.join(__dirname, ‘child.js‘))

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

child.send(‘hello child, I\‘m master‘)
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child.js

process.on(‘message‘, msg => {
  console.log(‘message from master:‘, msg)
});
let counter = 0
setInterval(() => {
  process.send({
    child: true,
    counter: counter++
  })
}, 1000);
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小结

其实可以看到，这些方法都是对spawn方法的复用，然后spawn方法底层调用了libuv进行进程的管理，具体可以看下图。

利用fork实现master-worker模型

首先来看看，如果我们在child.js中启动一个http服务会发生什么情况。

// master.js
const { fork } = require(‘child_process‘)

for (let i = 0; i < 2; i++) {
  const child = fork(‘./child.js‘)
}

// child.js
const http = require(‘http‘)
http.createServer((req, res) => {
  res.end(‘Hello World\n‘);
}).listen(8000)
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              +--------------+
              |              |
              |    master    |
              |              |
     +--------+--------------+- -- -- -
     |                                 |
     |                          Error: listen EADDRINUSE
     |                                 |
     |
+----v----+                      +-----v---+
|         |                      |         |
| worker1 |                      | worker2 |
|         |                      |         |
+---------+                      +---------+
   ：8000                            ：8000

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我们fork了两个子进程，因为两个子进程同时对一个端口进行监听，Node会直接抛出一个异常（Error: listen EADDRINUSE），如上图所示。那么我们能不能使用代理模式，同时监听多个端口，让master进程监听80端口收到请求时，再将请求分发给不同服务，而且master进程还能做适当的负载均衡。

              +--------------+
              |              |
              |    master    |
              |     ：80     |
     +--------+--------------+---------+
     |                                 |
     |                                 |
     |                                 |
     |                                 |
+----v----+                      +-----v---+
|         |                      |         |
| worker1 |                      | worker2 |
|         |                      |         |
+---------+                      +---------+
   ：8000                            ：8001
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但是这么做又会带来另一个问题，代理模式中十分消耗文件描述符（linux系统默认的最大文件描述符限制是1024），文件描述符在windows系统中称为句柄（handle），习惯性的我们也可以称linux中的文件描述符为句柄。当用户进行访问，首先连接到master进程，会消耗一个句柄，然后master进程再代理到worker进程又会消耗掉一个句柄，所以这种做法十分浪费系统资源。为了解决这个问题，Node的进程间通信可以发送句柄，节省系统资源。

句柄是一种特殊的智能指针 。当一个应用程序要引用其他系统（如数据库、操作系统）所管理的内存块或对象时，就要使用句柄。

我们可以在master进程启动一个tcp服务，然后通过IPC将服务的句柄发送给子进程，子进程再对服务的连接事件进行监听，具体代码如下：

// master.js
var { fork } = require(‘child_process‘)
var server = require(‘net‘).createServer()
server.on(‘connection‘, function(socket) {
  socket.end(‘handled by master‘) // 响应来自master
})
server.listen(3000, function() {
  console.log(‘master listening on: ‘, 3000)
})
for (var i = 0; i < 2; i++) {
  var child = fork(‘./child.js‘)
  child.send(‘server‘, server) // 发送句柄给worker
  console.log(‘worker create, pid is ‘, child.pid)
}

// child.js
process.on(‘message‘, function (msg, handler) {
  if (msg !== ‘server‘) {
    return
  }
  // 获取到句柄后，进行请求的监听
  handler.on(‘connection‘, function(socket) {
    socket.end(‘handled by worker, pid is ‘ + process.pid)  
  })
})
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下面我们通过curl连续请求 5 次服务。

for varible1 in {1..5}
do
  curl "localhost:3000"
done
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可以看到，响应请求的可以是父进程，也可以是不同子进程，多个进程对同一个服务响应的连接事件监听，谁先抢占，就由谁进行响应。这里就会出现一个Linux网络编程中很常见的事件，当多个进程同时监听网络的连接事件，当这个有新的连接到达时，这些进程被同时唤醒，这被称为“惊群”。这样导致的情况就是，一旦事件到达，每个进程同时去响应这一个事件，而最终只有一个进程能处理事件成功，其他的进程在处理该事件失败后重新休眠，造成了系统资源的浪费。

ps：在windows系统上，永远都是最后定义的子进程抢占到句柄，这可能和libuv的实现机制有关，具体原因往有大佬能够指点。

出现这样的问题肯定是大家都不愿意的嘛，这个时候我们就想起了nginx的好了，这里有篇文章讲解了nginx是如何解决“惊群”的，利用nginx的反向代理可以有效地解决这个问题，毕竟nginx本来就很擅长这种问题。

http { 
  upstream node { 
      server 127.0.0.1:8000; 
      server 127.0.0.1:8001; 
      server 127.0.0.1:8002; 
      server 127.0.0.1:8003;
      keepalive 64;
  } 
  server { 
       listen 80; 
       server_name shenfq.com; 
       location / { 
            proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;
            proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;
            proxy_set_header Host $http_host;
            proxy_set_header X-Nginx-Proxy true;
            proxy_set_header Connection "";
            proxy_pass http://node; # 这里要和最上面upstream后的应用名一致，可以自定义
       } 
  }
}
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小结

如果我们自己用Node原生来实现一个多进程模型，存在这样或者那样的问题，虽然最终我们借助了nginx达到了这个目的，但是使用nginx的话，我们需要另外维护一套nginx的配置，而且如果有一个Node服务挂了，nginx并不知道，还是会将请求转发到那个端口。

cluster模块

除了用nginx做反向代理，node本身也提供了一个cluster模块，用于多核CPU环境下多进程的负载均衡。cluster模块创建子进程本质上是通过child_procee.fork，利用该模块可以很容易的创建共享同一端口的子进程服务器。

上手指南

有了这个模块，你会感觉实现Node的单机集群是多么容易的一件事情。下面看看官方实例，短短的十几行代码就实现了一个多进程的Node服务，且自带负载均衡。

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

if (cluster.isMaster) { // 判断是否为主进程
  console.log(`主进程 ${process.pid} 正在运行`);

  // 衍生工作进程。
  for (let i = 0; i < numCPUs; i++) {
    cluster.fork();
  }

  cluster.on(‘exit‘, (worker, code, signal) => {
    console.log(`工作进程 ${worker.process.pid} 已退出`);
  });
} else { // 子进程进行服务器创建
  // 工作进程可以共享任何 TCP 连接。
  // 在本例子中，共享的是一个 HTTP 服务器。
  http.createServer((req, res) => {
    res.writeHead(200);
    res.end(‘hello world\n‘);
  }).listen(8000);

  console.log(`工作进程 ${process.pid} 已启动`);
}
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cluster模块源码分析

首先看代码，通过isMaster来判断是否为主进程，如果是主进程进行fork操作，子进程创建服务器。这里cluster进行fork操作时，执行的是当前文件。cluster.fork最终调用的child_process.fork，且第一个参数为process.argv.slice(2)，在fork子进程之后，会对其internalMessage事件进行监听，这个后面会提到，具体代码如下：

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

cluster.fork = function(env) {
  cluster.setupMaster();
  const id = ++ids;
  const workerProcess = createWorkerProcess(id, env);
  const worker = new Worker({
    id: id,
    process: workerProcess
  });
  
  // 监听子进程的消息
  worker.process.on(‘internalMessage‘, internal(worker, onmessage));
  // ...
};
// 配置master进程
cluster.setupMaster = function(options) {
  cluster.settings = {
    args: process.argv.slice(2),
    exec: process.argv[1],
    execArgv: process.execArgv,
    silent: false,
    ...cluster.settings,
    ...options
  };
};

// 创建子进程
function createWorkerProcess(id, env) {
  return fork(cluster.settings.exec, cluster.settings.args, {
    // some options
  });
}
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子进程端口监听问题

这里会有一个问题，子进程全部都在监听同一个端口，我们之前已经试验过，服务监听同一个端口会出现端口占用的问题，那么cluster模块如何保证端口不冲突的呢？ 查阅源码发现，http模块的createServer继承自net模块。

util.inherits(Server, net.Server);
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而在net模块中，listen方法会调用listenInCluster方法，listenInCluster判断当前是否为master进程。

lib/net.js

Server.prototype.listen = function(...args) {

  // ...
  if (typeof options.port === ‘number‘ || typeof options.port === ‘string‘) {
    // 如果listen方法只传入了端口号，最后会走到这里
    listenInCluster(this, null, options.port | 0, 4, backlog, undefined, options.exclusive);
    return this;
  }
  // ...
};

function listenInCluster(server, address, port, addressType, backlog, fd, exclusive, flags) {
  if (cluster === undefined) cluster = require(‘cluster‘);

  if (cluster.isMaster) {
    // 如果是主进程则启动一个服务
    // 但是主进程没有调用过listen方法，所以没有走这里一步
    server._listen2(address, port, addressType, backlog, fd, flags);
    return;
  }
  
  const serverQuery = {
    address: address,
    port: port,
    addressType: addressType,
    fd: fd,
    flags,
  };
 
  // 子进程获取主进程服务的句柄
  cluster._getServer(server, serverQuery, listenOnMasterHandle);
  
  function listenOnMasterHandle(err, handle) {
    server._handle = handle; // 重写handle，对listen方法进行了hack
    server._listen2(address, port, addressType, backlog, fd, flags);
  }
}
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看上面代码可以知道，真正启动服务的方法为server._listen2。在_listen2方法中，最终调用的是_handle下的listen方法。

function setupListenHandle(address, port, addressType, backlog, fd, flags) {
  // ...
  this._handle.onconnection = onconnection;
  var err = this._handle.listen(backlog || 511);
  // ...
}

Server.prototype._listen2 = setupListenHandle;  // legacy alias
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那么cluster._getServer方法到底做了什么呢？

搜寻它的源码，首先向master进程发送了一个消息，消息类型为queryServer。

// child.js
cluster._getServer = function(obj, options, cb) {
  // ...
  
  const message = {
    act: ‘queryServer‘,
    index,
    data: null,
    ...options
  };
  
  // 发送消息到master进程，消息类型为 queryServer
  send(message, (reply, handle) => {
    rr(reply, indexesKey, cb);              // Round-robin.
  });
  // ...
};
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这里的rr方法，对前面提到的_handle.listen进行了hack，所有子进程的listen其实是不起作用的。

function rr(message, indexesKey, cb) {
  if (message.errno)
    return cb(message.errno, null);

  var key = message.key;

  function listen(backlog) { // listen方法直接返回0，不再进行端口监听
    return 0;
  }

  function close() {
    send({ act: ‘close‘, key });
  }

  function getsockname(out) {
    return 0;
  }
  
  const handle = { close, listen, ref: noop, unref: noop };
  
  handles.set(key, handle); // 根据key将工作进程的 handle 进行缓存
  cb(0, handle);
}

// 这里的cb回调就是前面_getServer方法传入的。 参考之前net模块的listen方法
function listenOnMasterHandle(err, handle) {
  server._handle = handle; // 重写handle，对listen方法进行了hack
  // 该方法调用后，会对handle绑定一个 onconnection 方法，最后会进行调用
  server._listen2(address, port, addressType, backlog, fd, flags);
}

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主进程与子进程通信

那么到底在哪里对端口进行了监听呢？

前面提到过，fork子进程的时候，对子进程进行了internalMessage事件的监听。

worker.process.on(‘internalMessage‘, internal(worker, onmessage));
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子进程向master进程发送消息，一般使用process.send方法，会被监听的message事件所接收。这里是因为发送的message指定了cmd: ‘NODE_CLUSTER‘，只要cmd字段以NODE_开头，这样消息就会认为是内部通信，被internalMessage事件所接收。

// child.js
function send(message, cb) {
  return sendHelper(process, message, null, cb);
}

// utils.js
function sendHelper(proc, message, handle, cb) {
  if (!proc.connected)
    return false;

  // Mark message as internal. See INTERNAL_PREFIX in lib/child_process.js
  message = { cmd: ‘NODE_CLUSTER‘, ...message, seq };

  if (typeof cb === ‘function‘)
    callbacks.set(seq, cb);

  seq += 1;
  return proc.send(message, handle);
}
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master进程接收到消息后，根据act的类型开始执行不同的方法，这里act为queryServer。queryServer方法会构造一个key，如果这个key（规则主要为地址+端口+文件描述符）之前不存在，则对RoundRobinHandle构造函数进行了实例化，RoundRobinHandle构造函数中启动了一个TCP服务，并对之前指定的端口进行了监听。

// master.js
const handles = new Map();

function onmessage(message, handle) {
  const worker = this;
  if (message.act === ‘online‘)
    online(worker);
  else if (message.act === ‘queryServer‘)
    queryServer(worker, message);
  // other act logic
}
function queryServer(worker, message) {
  // ...
  const key = `${message.address}:${message.port}:${message.addressType}:` +
              `${message.fd}:${message.index}`;
  var handle = handles.get(key);
  // 如果之前没有对该key进行实例化，则进行实例化
  if (handle === undefined) {
    let address = message.address;
    // const RoundRobinHandle = require(‘internal/cluster/round_robin_handle‘);
    var constructor = RoundRobinHandle;

    handle = new constructor(key,
                             address,
                             message.port,
                             message.addressType,
                             message.fd,
                             message.flags);
    handles.set(key, handle);
  }
  // ...
}

// internal/cluster/round_robin_handle
function RoundRobinHandle(key, address, port, addressType, fd, flags) {
  this.server = net.createServer(assert.fail);
  // 这里启动一个TCP服务器
  this.server.listen({ port, host });
  
  // TCP服务器启动时的事件
  this.server.once(‘listening‘, () => {
    this.handle = this.server._handle;
    this.handle.onconnection = (err, handle) => this.distribute(err, handle);
  });
  // ...
}
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可以看到TCP服务启动后，立马对connection事件进行了监听，会调用RoundRobinHandle的distribute方法。

// RoundRobinHandle
this.handle.onconnection = (err, handle) => this.distribute(err, handle);

// distribute 对工作进程进行分发
RoundRobinHandle.prototype.distribute = function(err, handle) {
  this.handles.push(handle); // 存入TCP服务的句柄
  const worker = this.free.shift(); // 取出第一个工作进程

  if (worker)
    this.handoff(worker); // 切换到工作进程
};

RoundRobinHandle.prototype.handoff = function(worker) {
  const handle = this.handles.shift(); // 获取TCP服务句柄
  
  if (handle === undefined) {
    this.free.push(worker);  // 将该工作进程重新放入队列中
    return;
  }
  
  const message = { act: ‘newconn‘, key: this.key };

  // 向工作进程发送一个类型为 newconn 的消息以及TCP服务的句柄
  sendHelper(worker.process, message, handle, (reply) => {
    if (reply.accepted)
      handle.close();
    else
      this.distribute(0, handle);  // 工作进程不能正常运行，启动下一个

    this.handoff(worker);
  });
};
复制代码

在子进程中也有对内部消息进行监听，在cluster/child.js中，有个cluster._setupWorker方法，该方法会对内部消息监听，该方法的在lib/internal/bootstrap/node.js中调用，这个文件是每次启动node命令后，由C++模块调用的。

链接

function startup() {
  // ...
  startExecution();
}
function startExecution() {
  // ...
  prepareUserCodeExecution();
}
function prepareUserCodeExecution() {
  if (process.argv[1] && process.env.NODE_UNIQUE_ID) {
    const cluster = NativeModule.require(‘cluster‘);
    cluster._setupWorker();
    delete process.env.NODE_UNIQUE_ID;
  }
}

startup()
复制代码

下面看看_setupWorker方法做了什么。

cluster._setupWorker = function() {
  // ...
  process.on(‘internalMessage‘, internal(worker, onmessage));

  function onmessage(message, handle) {
    // 如果act为 newconn 调用onconnection方法
    if (message.act === ‘newconn‘)
      onconnection(message, handle);
    else if (message.act === ‘disconnect‘)
      _disconnect.call(worker, true);
  }
};

function onconnection(message, handle) {
  const key = message.key;
  const server = handles.get(key);
  const accepted = server !== undefined;

  send({ ack: message.seq, accepted });

  if (accepted)
    server.onconnection(0, handle); // 调用net中的onconnection方法
}
复制代码

最后子进程获取到客户端句柄后，调用net模块的onconnection，对Socket进行实例化，后面就与其他http请求的逻辑一致了，不再细讲。

至此，cluster模块的逻辑就走通了，关于Node.js的进程管理相关的知识点就介绍的这里了。