node系列4

进程管理

NodeJS可以感知和控制自身进程的运行环境和状态，也可以创建子进程并与其协同工作，这使得NodeJS可以把多个程序组合在一起共同完成某项工作，并在其中充当胶水和调度器的作用。本章除了介绍与之相关的NodeJS内置模块外，还会重点介绍典型的使用场景

开门红

如何使用NodeJS调用终端命令来简化目录拷贝

var child_process = require('child_process');
var util = require('util');

function copy(source, target, callback) {
    child_process.exec(
        util.format('cp -r %s/* %s', source, target), callback);
}

copy('a', 'b', function (err) {
    // ...
});

从以上代码中可以看到，子进程是异步运行的，通过回调函数返回执行结果

API走马观花

NodeJS提供了哪些和进程管理有关的API

Process

任何一个进程都有启动进程时使用的命令行参数，有标准输入标准输出，有运行权限，有运行环境和运行状态。在NodeJS中，可以通过process对象感知和控制NodeJS自身进程的方方面面。另外需要注意的是，process不是内置模块，而是一个全局对象，因此在任何地方都可以直接使用

Child Process

使用child_process模块可以创建和控制子进程。该模块提供的API中最核心的是.spawn，其余API都是针对特定使用场景对它的进一步封装，算是一种语法糖

Cluster

cluster模块是对child_process模块的进一步封装，专用于解决单进程NodeJS Web服务器无法充分利用多核CPU的问题。使用该模块可以简化多进程服务器程序的开发，让每个核上运行一个工作进程，并统一通过主进程监听端口和分发请求

应用场景

和进程管理相关的API单独介绍起来比较枯燥，因此这里从一些典型的应用场景出发，分别介绍一些重要API的使用方法

如何获取命令行参数

在NodeJS中可以通过process.argv获取命令行参数。但是比较意外的是，node执行程序路径和主模块文件路径固定占据了argv[0]和argv[1]两个位置，而第一个命令行参数从argv[2]开始。为了让argv使用起来更加自然，可以按照以下方式处理

function main(argv) {
    // ...
}

main(process.argv.slice(2));

如何退出程序

通常一个程序做完所有事情后就正常退出了，这时程序的退出状态码为0。或者一个程序运行时发生了异常后就挂了，这时程序的退出状态码不等于0。如果我们在代码中捕获了某个异常，但是觉得程序不应该继续运行下去，需要立即退出，并且需要把退出状态码设置为指定数字，比如1，就可以按照以下方式

try {
    // ...
} catch (err) {
    // ...
    process.exit(1);
}

如何控制输入输出

NodeJS程序的标准输入流（stdin）、一个标准输出流（stdout）、一个标准错误流（stderr）分别对应process.stdin、process.stdout和process.stderr，第一个是只读数据流，后边两个是只写数据流，对它们的操作按照对数据流的操作方式即可。例如，console.log可以按照以下方式实现

function log() {
    process.stdout.write(
        util.format.apply(util, arguments) + '\n');
}

如何降权

在Linux系统下，我们知道需要使用root权限才能监听1024以下端口。但是一旦完成端口监听后，继续让程序运行在root权限下存在安全隐患，因此最好能把权限降下来。以下是这样一个例子

http.createServer(callback).listen(80, function () {
    var env = process.env,
        uid = parseInt(env['SUDO_UID'] || process.getuid(), 10),
        gid = parseInt(env['SUDO_GID'] || process.getgid(), 10);

    process.setgid(gid);
    process.setuid(uid);
});

上例中有几点需要注意：

• 如果是通过sudo获取root权限的，运行程序的用户的UID和GID保存在环境变量SUDO_UID和SUDO_GID里边。如果是通过chmod +s方式获取root权限的，运行程序的用户的UID和GID可直接通过process.getuid和process.getgid方法获取
• process.setuid和process.setgid方法只接受number类型的参数
• 降权时必须先降GID再降UID，否则顺序反过来的话就没权限更改程序的GID了

如何创建子进程

以下是一个创建NodeJS子进程的例子

var child = child_process.spawn('node', [ 'xxx.js' ]);

child.stdout.on('data', function (data) {
    console.log('stdout: ' + data);
});

child.stderr.on('data', function (data) {
    console.log('stderr: ' + data);
});

child.on('close', function (code) {
    console.log('child process exited with code ' + code);
});

上例中使用了.spawn(exec, args, options)方法，该方法支持三个参数。第一个参数是执行文件路径，可以是执行文件的相对或绝对路径，也可以是根据PATH环境变量能找到的执行文件名。第二个参数中，数组中的每个成员都按顺序对应一个命令行参数。第三个参数可选，用于配置子进程的执行环境与行为

另外，上例中虽然通过子进程对象的.stdout和.stderr访问子进程的输出，但通过options.stdio字段的不同配置，可以将子进程的输入输出重定向到任何数据流上，或者让子进程共享父进程的标准输入输出流，或者直接忽略子进程的输入输出

进程间如何通讯

在Linux系统下，进程之间可以通过信号互相通信。以下是一个例子

/* parent.js */
var child = child_process.spawn('node', [ 'child.js' ]);

child.kill('SIGTERM');

/* child.js */
process.on('SIGTERM', function () {
    cleanUp();
    process.exit(0);
});

在上例中，父进程通过.kill方法向子进程发送SIGTERM信号，子进程监听process对象的SIGTERM事件响应信号。不要被.kill方法的名称迷惑了，该方法本质上是用来给进程发送信号的，进程收到信号后具体要做啥，完全取决于信号的种类和进程自身的代码

另外，如果父子进程都是NodeJS进程，就可以通过IPC（进程间通讯）双向传递数据。以下是一个例子

/* parent.js */
var child = child_process.spawn('node', [ 'child.js' ], {
        stdio: [ 0, 1, 2, 'ipc' ]
    });

child.on('message', function (msg) {
    console.log(msg);
});

child.send({ hello: 'hello' });

/* child.js */
process.on('message', function (msg) {
    msg.hello = msg.hello.toUpperCase();
    process.send(msg);
});

可以看到，父进程在创建子进程时，在options.stdio字段中通过ipc开启了一条IPC通道，之后就可以监听子进程对象的message事件接收来自子进程的消息，并通过.send方法给子进程发送消息。在子进程这边，可以在process对象上监听message事件接收来自父进程的消息，并通过.send方法向父进程发送消息。数据在传递过程中，会先在发送端使用JSON.stringify方法序列化，再在接收端使用JSON.parse方法反序列化

如何守护子进程

守护进程一般用于监控工作进程的运行状态，在工作进程不正常退出时重启工作进程，保障工作进程不间断运行。以下是一种实现方式

/* daemon.js */
function spawn(mainModule) {
    var worker = child_process.spawn('node', [ mainModule ]);

    worker.on('exit', function (code) {
        if (code !== 0) {
            spawn(mainModule);
        }
    });
}

spawn('worker.js');

异步编程

NodeJS最大的卖点——事件机制和异步IO，没有掌握异步编程就不能说是真正学会了NodeJS。

回调

在代码中，异步编程的直接体现就是回调。异步编程依托于回调来实现，但不能说使用了回调后程序就异步化了

function heavyCompute(n, callback) {
    var count = 0,
        i, j;

    for (i = n; i > 0; --i) {
        for (j = n; j > 0; --j) {
            count += 1;
        }
    }

    callback(count);
}

heavyCompute(10000, function (count) {
    console.log(count);
});

console.log('hello');

-- Console ------------------------------
100000000
hello

以上代码中的回调函数仍然先于后续代码执行。JS本身是单线程运行的，不可能在一段代码还未结束运行时去运行别的代码，因此也就不存在异步执行的概念

但是，如果某个函数做的事情是创建一个别的线程或进程，并与JS主线程并行地做一些事情，并在事情做完后通知JS主线程，那情况又不一样了。我们接着看看以下代码

setTimeout(function () {
    console.log('world');
}, 1000);

console.log('hello');

-- Console ------------------------------
hello
world

这次可以看到，回调函数后于后续代码执行了。如同上边所说，JS本身是单线程的，无法异步执行，因此我们可以认为setTimeout这类JS规范之外的由运行环境提供的特殊函数做的事情是创建一个平行线程后立即返回，让JS主进程可以接着执行后续代码，并在收到平行进程的通知后再执行回调函数。除了setTimeout、setInterval这些常见的，这类函数还包括NodeJS提供的诸如fs.readFile之类的异步API

另外，我们仍然回到JS是单线程运行的这个事实上，这决定了JS在执行完一段代码之前无法执行包括回调函数在内的别的代码。也就是说，即使平行线程完成工作了，通知JS主线程执行回调函数了，回调函数也要等到JS主线程空闲时才能开始执行。以下就是这么一个例子

function heavyCompute(n) {
    var count = 0,
        i, j;

    for (i = n; i > 0; --i) {
        for (j = n; j > 0; --j) {
            count += 1;
        }
    }
}

var t = new Date();

setTimeout(function () {
    console.log(new Date() - t);
}, 1000);

heavyCompute(50000);

-- Console ------------------------------
8520

本来应该在1秒后被调用的回调函数因为JS主线程忙于运行其它代码，实际执行时间被大幅延迟

代码设计模式

异步编程有很多特有的代码设计模式，为了实现同样的功能，使用同步方式和异步方式编写的代码会有很大差异

函数返回值

使用一个函数的输出作为另一个函数的输入是很常见的需求，在同步方式下一般按以下方式编写代码

var output = fn1(fn2('input'));
// Do something.

在异步方式下，由于函数执行结果不是通过返回值，而是通过回调函数传递，因此一般按以下方式编写代码

fn2('input', function (output2) {
    fn1(output2, function (output1) {
        // Do something.
    });
});

这种方式就是一个回调函数套一个回调函多，套得太多了很容易写出>形状的代码

遍历数组

var len = arr.length,
    i = 0;

for (; i < len; ++i) {
    arr[i] = sync(arr[i]);
}

// All array items have processed.

如果函数是异步执行的，以上代码就无法保证循环结束后所有数组成员都处理完毕了。如果数组成员必须一个接一个串行处理，则一般按照以下方式编写异步代码

(function next(i, len, callback) {
    if (i < len) {
        async(arr[i], function (value) {
            arr[i] = value;
            next(i + 1, len, callback);
        });
    } else {
        callback();
    }
}(0, arr.length, function () {
    // All array items have processed.
}));

以上代码在异步函数执行一次并返回执行结果后才传入下一个数组成员并开始下一轮执行，直到所有数组成员处理完毕后，通过回调的方式触发后续代码的执行

如果数组成员可以并行处理，但后续代码仍然需要所有数组成员处理完毕后才能执行的话，则异步代码会调整成以下形式

(function (i, len, count, callback) {
    for (; i < len; ++i) {
        (function (i) {
            async(arr[i], function (value) {
                arr[i] = value;
                if (++count === len) {
                    callback();
                }
            });
        }(i));
    }
}(0, arr.length, 0, function () {
    // All array items have processed.
}));

与异步串行遍历的版本相比，以上代码并行处理所有数组成员，并通过计数器变量来判断什么时候所有数组成员都处理完毕了

异常处理