Node.js 是一個免費的跨平臺 JavaScript 運行時環境，盡管它本質上是單線程的，但是可以在后臺使用多個線程來執行異步代碼。
由于 Node.js 的非阻塞性質，不同的線程執行不同的回調，這些回調首先委托給事件循環。Node.js 運行時負責處理所有這一切。
為什么要用 NodeJS?
JavaScript 最初是作為一種單線程編程語言構建的，僅在 Web 瀏覽器中運行。這意味著在一個過程中，只有一組指令能夠在給定的時間執行。
僅在當前代碼塊的執行完成后，才移至下一個代碼塊。但是，JavaScript 的單線程性質使實現變得容易。
最初 JavaScript 僅用于向網站添加少量交互。所以并沒有對多線程的需求。但是時代已經變了，用戶要求也越來越高，JavaScript 已成為 Web 上流行的編程語言。
多線程現在變得很普遍。由于 JavaScript 是單線程語言，因此無法在其中實現多線程。幸運的是，在這種情況下，有一個很好的解決方法：Node.js。
Node.js 框架并不少，這要歸功于 JavaScript 運行時環境(尤其是 JavaScript)的普遍流行。在繼續本文之前，讓我們了解一些有關 Node.js 的重要觀點：
- 可以用 send 函數將消息從子進程傳遞到其他子進程和主進程
- 支持 fork 多個進程
- 主進程和子進程之間不共享狀態
為什么要 fork 進程?
在兩種情況下，我們需要 fork 一個流程：
- 通過將任務委派給其他進程來提高速度
- 用于釋放內存和卸載單個進程
可以將數據發送到子進程，也可以將其送回。
Node.js 的方式
Node.js 使用兩種類型的線程：
- 通過事件循環處理主線程，
- 工作池中有許多輔助線程
事件循環負責獲取回調或函數，并將其注冊以供將來執行。它與正確的 JavaScript 代碼在同一線程中運行。一旦 JavaScript 操作阻塞了線程，事件循環也會被阻塞。
工作池是一個執行模型，負責產生和處理不同的線程。它同步執行任務，然后將結果返回到事件循環，最后事件循環將結果提供給回調。
總而言之，工作池負責異步 I/O 操作，即與系統磁盤和網絡的交互。像 fs 和 crypto 這樣的模塊是使用工作池的主要模塊。
由于工作池是在 libuv 庫中實現的，Node.js 在 JS 和 C++ 之間進行內部通信時會稍有延遲。不過這幾乎是不可察覺的。
一切都很好，直到我們遇到同步執行復雜操作的要求。任何需要大量時間執行的函數都會導致主線程阻塞。
如果程序具有多個占用大量 CPU 的函數，將會導致服務器吞吐量的顯著下降。在最壞的情況下，服務器將會失去響應，并且無法將任務委派給工作池。
諸如 AI、大數據和機器學習之類的領域無法從 Node.js 中受益，因為這些操作阻塞了主線程，并使服務器失去響應。但是這隨著 Node.js v10.5.0 的到來而改變，該版本增加了對多線程的支持。
并發和 CPU 綁定任務的挑戰
在 JavaScript 中建立并發可能很困難。允許多個線程訪問相同的內存會導致競爭狀態，這不僅使故障難以重現，而且解決起來也很困難。
Node.js 最初被實現為基于異步 I/O 的服務器端平臺。通過簡單地消除線程需求，這使很多事情變得容易。是的，Node.js 程序是單線程的，但不是典型的方式。
我們可以在 Node.js 中并行運行，但是不需要創建線程。操作系統和虛擬機共同并行使用 I/O，然后在需要將數據發送回 JavaScript 代碼時，JS 代碼在單個線程中運行。
除 JS 代碼外，所有內容均在 Node.js 中并行運行。與異步塊不同，JS 的同步塊總是一次執行一次。與代碼執行相比，等待 JS 中產生 I/O 事件所話費的時間要多得多。
Node.js 程序僅調用所需的函數或回調，而不會阻止其他代碼的執行。最初 JavaScript 和 Node.js 都不打算處理 CPU 密集型或 CPU 綁定的任務。
當代碼最少時，執行將會是敏捷的。但是計算量越大，執行速度就越慢。
如果你仍然嘗試在 JS 和 Node 中完成 CPU 密集型任務，那么將會使瀏覽器中的 UI 凍結并對所有 I/O 事件進行排隊處理。盡管如此，我們已經走了很遠。現在有了 worker_threads 模塊。
worker_threads 模塊使多線程變得簡單
Node.js v10.5.0 于 2018 年 6 月發布，引入了 worker_threads 模塊。它有助于在流行的 JavaScript 運行時環境中實現并發。該模塊允許創建功能齊全的多線程 Node.js 應用。
從技術上講，工作線程是在單獨的線程中產生的一些代碼。要開始使用輔助線程，需要先導入 worker_threads 模塊。之后需要創建 Worker 類的實例以創建工作線程。
創建 Worker 類的實例時，有兩個參數：
- 第一個參數提供擴展名 .js 或 .mjs 的文件路徑，其中包含工作程序線程的代碼，
- 第二個參數提供了一個包含 workerData 屬性的對象，該屬性包含工作線程開始執行時將訪問的數據
輔助線程能夠調度多個消息事件。因此，回調方法優先于返回 promise。
工作線程之間的通信是基于事件的，即偵聽器設置為在工作線程發送事件后立即調用。最常見的 4 個事件是：
- worker.on('error', (error) => {});
(1) 當工作線程中有未捕獲的異常時發出。接下來工作線程終止，并且該錯誤可以作為回調中的第一個參數使用。
- worker.on('exit', (exitCode) => {})
(2) 當輔助線程退出時發出。如果在工作線程中調用了 process.exit()，則會將 exitCode 提供給回調。如果 worker.terminate() 終止工作線程，則代碼為 1。
- worker.on('message', (data) => {});
(3) 當工作線程將數據發送到父線程時發出。
- worker.on('online', () => {});
(4) 當工作線程停止解析 JS 代碼并開始執行時發出。盡管不常用，但 online 事件在特定情況下可能會提供更多信息。
使用工作線程的方式
有兩種使用工作線程的方法：
- 方法 1 – 涉及產生工作線程，執行其代碼并將結果發送到父線程。此方法需要每次為新任務從頭創建新的 worker 線程。
- 方法 2 – 涉及生成 worker 線程并為消息事件設置偵聽器。每次觸發該消息時，輔助線程都會執行代碼，并將結果發送回父線程。輔助線程保持活動狀態，以備將來使用。
方法 2 也被稱為工作池。這是因為該方法涉及創建 worker 的工作池，先讓他們等待，并在需要時去調度消息事件來執行任務。
由于從頭創建工作線程需要創建虛擬機以及解析和執行代碼，因此官方 Node.js 文檔 建議采用方法 2。此外，方法 2 更為實用，比方法 1 更有效。
(1) worker_threads 模塊中可用的重要屬性
- isMainThread – 當不在工作線程內操作時，此屬性為 true。如果需要，則可以在 worker 文件的開頭包含一個簡單的 if 語句。這樣可以確保它僅作為工作線程運行。
- parentPort – MessagePort 的實例，用于與父線程進行通信。
- threadId – 分配給工作線程的唯一標識符。
- workerData – 包含在 worker 線程的構造函數中的數據。
(2) Node.js 中的多進程
為了使 Node.js 利用多核系統的功能，可以用一些進程。流行的 javascript 運行時環境中有稱被為 cluster 的模塊，該模塊提供對多進程的支持。
使用 cluster 模塊可以產生多個子進程，這些子進程可以共享一個公共端口。當子進程投入使用時，使用 NodeJS 的系統可以處理更大的工作量。
(3) 后端的 Node.js
互聯網已經成為全球數以百萬計公司的首選平臺。因此，為使一家企業發揮最大潛力，并在此過程中脫穎而出，必須擁有強大的網絡形象。
這一切都始于一個強大而直觀的網站。要打造一個完美無瑕的網站，重要的是選擇最佳的前端和后端技術。盡管本質上是單線程的，但 Node.js 是開發后端 Web 服務的首選。
盡管有大量的后端多線程選擇，但知名公司還是喜歡 Node.js。這是因為 Node.js 提供了在 JavaScript 中使用多線程的變通方法，而 JavaScript 已經是“Web上最流行的編程語言”。
總結
worker_threads 模塊提供了一種在 Node.js 程序中實現多線程的簡便方法。通過將繁重的計算委派給工作線程，可以顯著提高服務器的吞吐量。
借助對多線程的支持，Node.js 將繼續吸引越來越多的來自 AI、大數據和機器學習等計算密集型領域的開發人員、工程師和其他專業人員。
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