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Node.js中的child_process模块详解

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前言

本文主要给大家介绍了关于Node.js中child_process模块的相关内容，在介绍child_process模块之前，先来看一个例子。

const http = require('http');
const longComputation = () => {
 let sum = 0;
 for (let i = 0; i < 1e10; i++) {
 sum += i;
 };
 return sum;
};
const server = http.createServer();
server.on('request', (req, res) => {
 if (req.url === '/compute') {
 const sum = longComputation();
 return res.end(`Sum is ${sum}`);
 } else {
 res.end('Ok')
 }
});

server.listen(3000);

可以试一下使用上面的代码启动Node.js服务，然后打开两个浏览器选项卡分别访问/compute和/，可以发现node服务接收到/compute请求时会进行大量的数值计算，导致无法响应其他的请求（/）。

在Java语言中可以通过多线程的方式来解决上述的问题，但是Node.js在代码执行的时候是单线程的，那么Node.js应该如何解决上面的问题呢？其实Node.js可以创建一个子进程执行密集的cpu计算任务（例如上面例子中的longComputation）来解决问题，而child_process模块正是用来创建子进程的。

创建子进程的方式

child_process提供了几种创建子进程的方式

  • 异步方式：spawn、exec、execFile、fork
  • 同步方式：spawnSync、execSync、execFileSync

首先介绍一下spawn方法

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

command： 要执行的指令
args： 传递参数
options： 配置项
const { spawn } = require('child_process');
const child = spawn('pwd');

pwd是shell的命令，用于获取当前的目录，上面的代码执行完控制台并没有任何的信息输出，这是为什么呢？

控制台之所以不能看到输出信息的原因是由于子进程有自己的stdio流（stdin、stdout、stderr），控制台的输出是与当前进程的stdio绑定的，因此如果希望看到输出信息，可以通过在子进程的stdout 与当前进程的stdout之间建立管道实现

child.stdout.pipe(process.stdout);

也可以监听事件的方式（子进程的stdio流都是实现了EventEmitter API的，所以可以添加事件监听）

child.stdout.on('data', function(data) {
 process.stdout.write(data);
});

在Node.js代码里使用的console.log其实底层依赖的就是process.stdout

除了建立管道之外，还可以通过子进程和当前进程共用stdio的方式来实现

const { spawn } = require('child_process');
const child = spawn('pwd', {
 stdio: 'inherit'
});

stdio选项用于配置父进程和子进程之间建立的管道，由于stdio管道有三个(stdin, stdout, stderr）因此stdio的三个可能的值其实是数组的一种简写

  • pipe 相当于['pipe', 'pipe', 'pipe']（默认值）
  • ignore 相当于['ignore', 'ignore', 'ignore']
  • inherit 相当于[process.stdin, process.stdout, process.stderr]

由于inherit方式使得子进程直接使用父进程的stdio，因此可以看到输出

ignore用于忽略子进程的输出（将https://img.qb5200.com/download-x/dev/null指定为子进程的文件描述符了），因此当ignore时child.stdout是null。

spawn默认情况下并不会创建子shell来执行命令，因此下面的代码会报错

const { spawn } = require('child_process');
const child = spawn('ls -l');
child.stdout.pipe(process.stdout);

// 报错
events.js:167
  throw er; // Unhandled 'error' event
  ^

Error: spawn ls -l ENOENT
 at Process.ChildProcess._handle.onexit (internal/child_process.js:229:19)
 at onErrorNT (internal/child_process.js:406:16)
 at process._tickCallback (internal/process/next_tick.js:63:19)
 at Function.Module.runMain (internal/modules/cjs/loader.js:746:11)
 at startup (internal/bootstrap/node.js:238:19)
 at bootstrapNodeJSCore (internal/bootstrap/node.js:572:3)
Emitted 'error' event at:
 at Process.ChildProcess._handle.onexit (internal/child_process.js:235:12)
 at onErrorNT (internal/child_process.js:406:16)
 [... lines matching original stack trace ...]
 at bootstrapNodeJSCore (internal/bootstrap/node.js:572:3)

如果需要传递参数的话，应该采用数组的方式传入

const { spawn } = require('child_process');
const child = spawn('ls', ['-l']);
child.stdout.pipe(process.stdout);

如果要执行ls -l | wc -l命令的话可以采用创建两个spawn命令的方式

const { spawn } = require('child_process');
const child = spawn('ls', ['-l']);
const child2 = spawn('wc', ['-l']);
child.stdout.pipe(child2.stdin);
child2.stdout.pipe(process.stdout);

也可以使用exec

const { exec } = require('child_process');
exec('ls -l | wc -l', function(err, stdout, stderr) {
 console.log(stdout);
});

由于exec会创建子shell，所以可以直接执行shell管道命令。spawn采用流的方式来输出命令的执行结果，而exec也是将命令的执行结果缓存起来统一放在回调函数的参数里面，因此exec只适用于命令执行结果数据小的情况。

其实spawn也可以通过配置shell option的方式来创建子shell进而支持管道命令，如下所示

const { spawn, execFile } = require('child_process');
const child = spawn('ls -l | wc -l', {
 shell: true
});
child.stdout.pipe(process.stdout);

配置项除了stdio、shell之外还有cwd、env、detached等常用的选项

cwd用于修改命令的执行目录

const { spawn, execFile, fork } = require('child_process');
const child = spawn('ls -l | wc -l', {
 shell: true,
 cwd: '/usr'
});
child.stdout.pipe(process.stdout);

env用于指定子进程的环境变量（如果不指定的话，默认获取当前进程的环境变量）

const { spawn, execFile, fork } = require('child_process');
const child = spawn('echo $NODE_ENV', {
 shell: true,
 cwd: '/usr'
});
child.stdout.pipe(process.stdout);
NODE_ENV=randal node b.js

// 输出结果
randal

如果指定env的话就会覆盖掉默认的环境变量，如下

const { spawn, execFile, fork } = require('child_process');
spawn('echo $NODE_TEST $NODE_ENV', {
 shell: true,
 stdio: 'inherit',
 cwd: '/usr',
 env: {
 NODE_TEST: 'randal-env'
 }
});

NODE_ENV=randal node b.js

// 输出结果
randal

detached用于将子进程与父进程断开连接

例如假设存在一个长时间运行的子进程

// timer.js
while(true) {

}

但是主进程并不需要长时间运行的话就可以用detached来断开二者之间的连接

const { spawn, execFile, fork } = require('child_process');
const child = spawn('node', ['timer.js'], {
 detached: true,
 stdio: 'ignore'
});
child.unref();

当调用子进程的unref方法时，同时配置子进程的stdio为ignore时，父进程就可以独立退出了

execFile与exec不同，execFile通常用于执行文件，而且并不会创建子shell环境

fork方法是spawn方法的一个特例，fork用于执行js文件创建Node.js子进程。而且fork方式创建的子进程与父进程之间建立了IPC通信管道，因此子进程和父进程之间可以通过send的方式发送消息。

注意：fork方式创建的子进程与父进程是完全独立的，它拥有单独的内存，单独的V8实例，因此并不推荐创建很多的Node.js子进程

fork方式的父子进程之间的通信参照下面的例子

parent.js

const { fork } = require('child_process');
const forked = fork('child.js');
forked.on('message', (msg) => {
 console.log('Message from child', msg);
});
forked.send({ hello: 'world' });

child.js

process.on('message', (msg) => {
 console.log('Message from parent:', msg);
});

let counter = 0;

setInterval(() => {
 process.send({ counter: counter++ });
}, 1000);
node parent.js

// 输出结果
Message from parent: { hello: 'world' }
Message from child { counter: 0 }
Message from child { counter: 1 }
Message from child { counter: 2 }
Message from child { counter: 3 }
Message from child { counter: 4 }
Message from child { counter: 5 }
Message from child { counter: 6 }

回到本文初的那个问题，我们就可以将密集计算的逻辑放到单独的js文件中，然后再通过fork的方式来计算，等计算完成时再通知主进程计算结果，这样避免主进程繁忙的情况了。

compute.js

const longComputation = () => {
 let sum = 0;
 for (let i = 0; i < 1e10; i++) {
 sum += i;
 };
 return sum;
};

process.on('message', (msg) => {
 const sum = longComputation();
 process.send(sum);
});

index.js

const http = require('http');
const { fork } = require('child_process');
const server = http.createServer();
server.on('request', (req, res) => {
 if (req.url === '/compute') {
 const compute = fork('compute.js');
 compute.send('start');
 compute.on('message', sum => {
  res.end(`Sum is ${sum}`);
 });
 } else {
 res.end('Ok')
 }
});
server.listen(3000);

监听进程事件

通过前述几种方式创建的子进程都实现了EventEmitter，因此可以针对进程进行事件监听

常用的事件包括几种：close、exit、error、message

close事件当子进程的stdio流关闭的时候才会触发，并不是子进程exit的时候close事件就一定会触发，因为多个子进程可以共用相同的stdio。

close与exit事件的回调函数有两个参数code和signal，code代码子进程最终的退出码，如果子进程是由于接收到signal信号终止的话，signal会记录子进程接受的signal值。

先看一个正常退出的例子

const { spawn, exec, execFile, fork } = require('child_process');
const child = exec('ls -l', {
 timeout: 300
});
child.on('exit', function(code, signal) {
 console.log(code);
 console.log(signal);
});

// 输出结果
0
null

再看一个因为接收到signal而终止的例子，应用之前的timer文件，使用exec执行的时候并指定timeout

const { spawn, exec, execFile, fork } = require('child_process');
const child = exec('node timer.js', {
 timeout: 300
});
child.on('exit', function(code, signal) {
 console.log(code);
 console.log(signal);
});
// 输出结果
null
SIGTERM

注意：由于timeout超时的时候error事件并不会触发，并且当error事件触发时exit事件并不一定会被触发

error事件的触发条件有以下几种：

  • 无法创建进程
  • 无法结束进程
  • 给进程发送消息失败

注意当代码执行出错的时候，error事件并不会触发，exit事件会触发，code为非0的异常退出码

const { spawn, exec, execFile, fork } = require('child_process');
const child = exec('ls -l /usrs');
child.on('error', function(code, signal) {
 console.log(code);
 console.log(signal);
});
child.on('exit', function(code, signal) {
 console.log('exit');
 console.log(code);
 console.log(signal);
});

// 输出结果
exit
1
null

message事件适用于父子进程之间建立IPC通信管道的时候的信息传递，传递的过程中会经历序列化与反序列化的步骤，因此最终接收到的并不一定与发送的数据相一致。

sub.js

process.send({ foo: 'bar', baz: NaN });
const cp = require('child_process');
const n = cp.fork(`${__dirname}/sub.js`);

n.on('message', (m) => {
 console.log('got message:', m); // got message: { foo: 'bar', baz: null }
});

关于message有一种特殊情况要注意，下面的message并不会被子进程接收到

const { fork } = require('child_process');
const forked = fork('child.js');
forked.send({
 cmd: "NODE_foo",
 hello: 'world'
});

当发送的消息里面包含cmd属性，并且属性的值是以NODE_开头的话，这样的消息是提供给Node.js本身保留使用的，因此并不会发出message事件，而是会发出internalMessage事件，开发者应该避免这种类型的消息，并且应当避免监听internalMessage事件。

message除了发送字符串、object之外还支持发送server对象和socket对象，正因为支持socket对象才可以做到多个Node.js进程监听相同的端口号。

未完待续......

参考资料

https://medium.freecodecamp.org/node-js-child-processes-everything-you-need-to-know-e69498fe970a
https://nodejs.orghttps://img.qb5200.com/download-x/dist/latest-v10.xhttps://img.qb5200.com/download-x/docs/api/child_process.html

总结

以上就是这篇文章的全部内容了，希望本文的内容对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值，如果有疑问大家可以留言交流，谢谢大家对的支持。

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