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很多人都想知道单线程的 Node.js 怎么能与多线程后端竞争。考虑到其所谓的单线程特性，许多大公司选择 Node 作为其后端似乎违反直觉。要想知道原因，必须理解其单线程的真正含义。【视频教程推荐：nodejs视频教程 】
JavaScript 的设计非常适合在网上做比较简单的事情，比如验证表单，或者说创建彩虹色的鼠标轨迹。 在2009年，Node.js的创始人 Ryan Dahl使开发人员可以用该语言编写后端代码。
通常支持多线程的后端语言具有各种机制，用于在线程和其他面向线程的功能之间同步数据。要向 JavaScript 添加对此类功能的支持，需要修改整个语言，这不是 Dahl 的目标。为了让纯 JavaScript 支持多线程，他必须想一个变通方法。接下来让我们探索一下其中的奥秘……
Node.js 是如何工作的Node.js 使用两种线程：event loop处理的主线程和 worker pool中的几个辅助线程。
事件循环是一种机制，它采用回调（函数）并注册它们，准备在将来的某个时刻执行。它与相关的 JavaScript 代码在同一个线程中运行。当 JavaScript 操作阻塞线程时，事件循环也会被阻止。
工作池是一种执行模型，它产生并处理单独的线程，然后同步执行任务，并将结果返回到事件循环。事件循环使用返回的结果执行提供的回调。
简而言之，它负责异步 I/O操作 —— 主要是与系统磁盘和网络的交互。它主要由诸如 fs（I/O 密集）或 crypto（CPU 密集）等模块使用。工作池用 libuv 实现，当 Node 需要在 JavaScript 和 C++ 之间进行内部通信时，会导致轻微的延迟，但这几乎不可察觉。
基于这两种机制，我们可以编写如下代码：
fs.readFile(path.join(__dirname, './package.json'), (err, content) => {
if (err) {
return null;
}
console.log(content.toString());
});前面提到的 fs模块告诉工作池使用其中一个线程来读取文件的内容，并在完成后通知事件循环。然后事件循环获取提供的回调函数，并用文件的内容执行它。
以上是非阻塞代码的示例，我们不必同步等待某事的发生。只需告诉工作池去读取文件，并用结果去调用提供的函数即可。由于工作池有自己的线程，因此事件循环可以在读取文件时继续正常执行。
在不需要同步执行某些复杂操作时，这一切都相安无事：任何运行时间太长的函数都会阻塞线程。如果应用程序中有大量这类功能，就可能会明显降低服务器的吞吐量，甚至完全冻结它。在这种情况下，无法继续将工作委派给工作池。
在需要对数据进行复杂的计算时（如AI、机器学习或大数据）无法真正有效地使用 Node.js，因为操作阻塞了主（且唯一）线程，使服务器无响应。在 Node.js v10.5.0 发布之前就是这种情况，在这一版本增加了对多线程的支持。
简介：worker_threadsworker_threads模块允许我们创建功能齐全的多线程 Node.js 程序。
thread worker 是在单独的线程中生成的一段代码（通常从文件中取出）。
注意，术语 thread worker，worker和 thread经常互换使用，他们都指的是同一件事。
要想使用 thread worker，必须导入 worker_threads模块。让我们先写一个函数来帮助我们生成这些thread worker，然后再讨论它们的属性。
type WorkerCallback = (err: any, result?: any) => any;
export function runWorker(path: string, cb: WorkerCallback, workerData: object | null = null) {
const worker = new Worker(path, { workerData });
worker.on('message', cb.bind(null, null));
worker.on('error', cb);
worker.on('exit', (exitCode) => {
if (exitCode === 0) {
return null;
}
return cb(new Error(`Worker has stopped with code ${exitCode}`));
});
return worker;
}要创建一个 worker，首先必须创建一个 Worker类的实例。它的第一个参数提供了包含 worker 的代码的文件的路径；第二个参数提供了一个名为 workerData的包含一个属性的对象。这是我们希望线程在开始运行时可以访问的数据。
请注意：不管你是用的是 JavaScript， 还是最终要转换为 JavaScript 的语言（例如，TypeScript），路径应该始终引用带有 .js或 .mjs扩展名的文件。
我还想指出为什么使用回调方法，而不是返回在触发 message事件时将解决的 promise。这是因为 worker 可以发送许多 message事件，而不是一个。
正如你在上面的例子中所看到的，线程间的通信是基于事件的，这意味着我们设置了 worker 在发送给定事件后调用的侦听器。
以下是最常见的事件：
worker.on('error', (error) => {});只要 worker 中有未捕获的异常，就会发出 error事件。然后终止 worker，错误可以作为提供的回调中的第一个参数。
worker.on('exit', (exitCode) => {});在 worker 退出时会发出 exit事件。如果在worker中调用了 process.exit()，那么 exitCode将被提供给回调。如果 worker 以 worker.terminate()终止，则代码为1。
worker.on('online', () => {});只要 worker 停止解析 JavaScript 代码并开始执行，就会发出 online事件。它不常用，但在特定情况下可以提供信息。
worker.on('message', (data) => {});只要 worker 将数据发送到父线程，就会发出 message事件。
现在让我们来看看如何在线程之间共享数据。
在线程之间交换数据要将数据发送到另一个线程，可以用 port.postMessage()方法。它的原型如下：
port.postMessage(data[, transferList])
port 对象可以是 parentPort，也可以是 MessagePort的实例 —— 稍后会详细讲解。
第一个参数 —— 这里被称为 data—— 是一个被复制到另一个线程的对象。它可以是复制算法所支持的任何内容。
数据由结构化克隆算法进行复制。引用自 Mozilla：
它通过递归输入对象来进行克隆，同时保持之前访问过的引用的映射，以避免无限遍历循环。
该算法不复制函数、错误、属性描述符或原型链。还需要注意的是，以这种方式复制对象与使用 JSON 不同，因为它可以包含循环引用和类型化数组，而 JSON 不能。
由于能够复制类型化数组，该算法可以在线程之间共享内存。
在线程之间共享内存人们可能会说像 cluster或 child_process这样的模块在很久以前就开始使用线程了。这话对，也不对。
cluster模块可以创建多个节点实例，其中一个主进程在它们之间对请求进行路由。集群能够有效地增加服务器的吞吐量；但是我们不能用 cluster模块生成一个单独的线程。
人们倾向于用 PM2 这样的工具来集中管理他们的程序，而不是在自己的代码中手动执行，如果你有兴趣，可以研究一下如何使用 cluster模块。
child_process模块可以生成任何可执行文件，无论它是否是用 JavaScript 写的。它和 worker_threads非常相似，但缺少后者的几个重要功能。
具体来说 thread workers 更轻量，并且与其父线程共享相同的进程 ID。它们还可以与父线程共享内存，这样可以避免对大的数据负载进行序列化，从而更有效地来回传递数据。
现在让我们看一下如何在线程之间共享内存。为了共享内存，必须将 ArrayBuffer或 SharedArrayBuffer的实例作为数据参数发送到另一个线程。
这是一个与其父线程共享内存的 worker：
import { parentPort } from 'worker_threads';
parentPort.on('message', () => {
const numberOfElements = 100;
const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT * numberOfElements);
const arr = new Int32Array(sharedBuffer);
for (let i = 0; i < numberOfElements; i += 1) {
arr[i] = Math.round(Math.random() * 30);
}
parentPort.postMessage({ arr });
});首先，我们创建一个 SharedArrayBuffer，其内存需要包含100个32位整数。接下来创建一个 Int32Array实例，它将用缓冲区来保存其结构，然后用一些随机数填充数组并将其发送到父线程。
在父线程中：
import path from 'path';
import { runWorker } from '../run-worker';
const worker = runWorker(path.join(__dirname, 'worker.js'), (err, { arr }) => {
if (err) {
return null;
}
arr[0] = 5;
});
worker.postMessage({});把 arr [0]的值改为5，实际上会在两个线程中修改它。
当然，通过共享内存，我们冒险在一个线程中修改一个值，同时也在另一个线程中进行了修改。但是我们在这个过程中也得到了一个好处：该值不需要进行序列化就可以另一个线程中使用，这极大地提高了效率。只需记住管理数据正确的引用，以便在完成数据处理后对其进行垃圾回收。
共享一个整数数组固然很好，但我们真正感兴趣的是共享对象 —— 这是存储信息的默认方式。不幸的是，没有 SharedObjectBuffer或类似的东西，但我们可以自己创建一个类似的结构。
transferList中只能包含 ArrayBuffer和 MessagePort。一旦它们被传送到另一个线程，就不能再次被传送了；因为内存里的内容已经被移动到了另一个线程。
目前，还不能通过 transferList（可以使用 child_process模块）来传输网络套接字。
线程之间的通信是通过 port 进行的，port 是 MessagePort类的实例，并启用基于事件的通信。
使用 port 在线程之间进行通信的方法有两种。第一个是默认值，这个方法比较容易。在 worker 的代码中，我们从worker_threads模块导入一个名为 parentPort的对象，并使用对象的 .postMessage()方法将消息发送到父线程。
这是一个例子：
import { parentPort } from 'worker_threads';
const data = {
// ...
};
parentPort.postMessage(data);parentPort是 Node.js 在幕后创建的 MessagePort实例，用于与父线程进行通信。这样就可以用 parentPort和 worker对象在线程之间进行通信。
线程间的第二种通信方式是创建一个 MessageChannel并将其发送给 worker。以下代码是如何创建一个新的 MessagePort并与我们的 worker 共享它：
import path from 'path';
import { Worker, MessageChannel } from 'worker_threads';
const worker = new Worker(path.join(__dirname, 'worker.js'));
const { port1, port2 } = new MessageChannel();
port1.on('message', (message) => {
console.log('message from worker:', message);
});
worker.postMessage({ port: port2 }, [port2]);在创建 port1和 port2之后，我们在 port1上设置事件监听器并将 port2发送给 worker。我们必须将它包含在 transferList中，以便将其传输给 worker 。
在 worker 内部：
import { parentPort, MessagePort } from 'worker_threads';
parentPort.on('message', (data) => {
const { port }: { port: MessagePort } = data;
port.postMessage('heres your message!');
});这样，我们就能使用父线程发送的 port 了。
使用 parentPort不一定是错误的方法，但最好用 MessageChannel的实例创建一个新的 MessagePort，然后与生成的 worker 共享它。
请注意，在后面的例子中，为了简便起见，我用了 parentPort。
可以通过两种方式使用 worker。第一种是生成一个 worker，然后执行它的代码，并将结果发送到父线程。通过这种方法，每当出现新任务时，都必须重新创建一个工作者。
第二种方法是生成一个 worker 并为 message事件设置监听器。每次触发 message时，它都会完成工作并将结果发送回父线程，这会使 worker 保持活动状态以供以后使用。
Node.js 文档推荐第二种方法，因为在创建 thread worker 时需要创建虚拟机并解析和执行代码，这会产生比较大的开销。所以这种方法比不断产生新 worker 的效率更高。
这种方法被称为工作池，因为我们创建了一个工作池并让它们等待，在需要时调度 message事件来完成工作。
以下是一个产生、执行然后关闭 worker 例子：
import { parentPort } from 'worker_threads';
const collection = [];
for (let i = 0; i < 10; i += 1) {
collection[i] = i;
}
parentPort.postMessage(collection);将 collection发送到父线程后，它就会退出。
下面是一个 worker 的例子，它可以在给定任务之前等待很长一段时间：
import { parentPort } from 'worker_threads';
parentPort.on('message', (data: any) => {
const result = doSomething(data);
parentPort.postMessage(result);
});worker_threads 模块中可用的重要属性worker_threads模块中有一些可用的属性：
当不在工作线程内操作时，该属性为 true。如果你觉得有必要，可以在 worker 文件的开头包含一个简单的 if语句，以确保它只作为 worker 运行。
import { isMainThread } from 'worker_threads';
if (isMainThread) {
throw new Error('Its not a worker');
}workerData产生线程时包含在 worker 的构造函数中的数据。
const worker = new Worker(path, { workerData });在工作线程中：
import { workerData } from 'worker_threads';
console.log(workerData.property);parentPort前面提到的 MessagePort实例，用于与父线程通信。
分配给 worker 的唯一标识符。
现在我们知道了技术细节，接下来实现一些东西并在实践中检验学到的知识。
实现setTimeoutsetTimeout是一个无限循环，顾名思义，用来检测程序运行时间是否超时。它在循环中检查起始时间与给定毫秒数之和是否小于实际日期。
import { parentPort, workerData } from 'worker_threads';
const time = Date.now();
while (true) {
if (time + workerData.time <= Date.now()) {
parentPort.postMessage({});
break;
}
}这个特定的实现产生一个线程，然后执行它的代码，最后在完成后退出。
接下来实现使用这个 worker 的代码。首先创建一个状态，用它来跟踪生成的 worker：
const timeoutState: { [key: string]: Worker } = {};然后时负责创建 worker 并将其保存到状态的函数：
export function setTimeout(callback: (err: any) => any, time: number) {
const id = uuidv4();
const worker = runWorker(
path.join(__dirname, './timeout-worker.js'),
(err) => {
if (!timeoutState[id]) {
return null;
}
timeoutState[id] = null;
if (err) {
return callback(err);
}
callback(null);
},
{
time,
},
);
timeoutState[id] = worker;
return id;
}首先，我们使用 UUID 包为 worker 创建一个唯一的标识符，然后用先前定义的函数 runWorker来获取 worker。我们还向 worker 传入一个回调函数，一旦 worker 发送了数据就会被触发。最后，把 worker 保存在状态中并返回 id。
在回调函数中，我们必须检查该 worker 是否仍然存在于该状态中，因为有可能会 cancelTimeout()，这将会把它删除。如果确实存在，就把它从状态中删除，并调用传给 setTimeout函数的 callback。
cancelTimeout函数使用 .terminate()方法强制 worker 退出，并从该状态中删除该这个worker：
export function cancelTimeout(id: string) {
if (timeoutState[id]) {
timeoutState[id].terminate();
timeoutState[id] = undefined;
return true;
}
return false;
}如果你有兴趣，我也实现了 setInterval，代码在这里，但因为它对线程什么都没做（我们重用setTimeout的代码），所以我决定不在这里进行解释。
我已经创建了一个短小的测试代码，目的是检查这种方法与原生方法的不同之处。你可以在这里找到代码。这些是结果：
native setTimeout { ms: 7004, averageCPUCost: 0.1416 }
worker setTimeout { ms: 7046, averageCPUCost: 0.308 }我们可以看到 setTimeout有一点延迟 - 大约40ms - 这时 worker 被创建时的消耗。平均 CPU 成本也略高，但没什么难以忍受的（CPU 成本是整个过程持续时间内 CPU 使用率的平均值）。
如果我们可以重用 worker，就能够降低延迟和 CPU 使用率，这就是要实现工作池的原因。
实现工作池如上所述，工作池是给定数量的被事先创建的 worker，他们保持空闲并监听 message事件。一旦 message事件被触发，他们就会开始工作并发回结果。
为了更好地描述我们将要做的事情，下面我们来创建一个由八个 thread worker 组成的工作池：
const pool = new WorkerPool(path.join(__dirname, './test-worker.js'), 8);
如果你熟悉限制并发操作，那么你在这里看到的逻辑几乎相同，只是一个不同的用例。
如上面的代码片段所示，我们把指向 worker 的路径和要生成的 worker 数量传给了 WorkerPool的构造函数。