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node 利用进程通信实现Cluster共享内存

Node.js的标准API没有提供进程共享内存,然而通过IPC接口的send方法和对message事件的监听,就可以实现一个多进程之间的协同机制,通过通信来操作共享内存。

##IPC的基本用法:

// worker进程 发送消息
process.send(‘读取共享内存');
 
// master进程 接收消息 -> 处理 -> 发送回信
cluster.on('online', function (worker) {
   // 有worker进程建立,即开始监听message事件
   worker.on(‘message', function(data) {
     // 处理来自worker的请求
     // 回传结果
     worker.send(‘result')
   });
});

在Node.js中,通过send和on(‘message', callback)实现的IPC通信有几个特点。首先,master和worker之间可以互相通信,而各个worker之间不能直接通信,但是worker之间可以通过master转发实现间接通信。另外,通过send方法传递的数据,会先被JSON.stringify处理后再传递,接收后会再用JSON.parse解析。所以Buffer对象传递后会变成数组,而function则无法直接传递。反过来说,就是可以直接传递除了buffer和function之外的所有数据类型(已经很强大了,而且buffer和function也可以用变通的方法实现传递)。

基于以上特点,我们可以设计一个通过IPC来共享内存的方案:

1、worker进程作为共享内存的使用者,并不直接操作共享内存,而是通过send方法通知master进程进行写入(set)或者读取(get)操作。

2、master进程初始化一个Object对象作为共享内存,并根据worker发来的message,对Object的键值进行读写。

3、由于要使用跨进程通信,所以worker发起的set和get都是异步操作,master根据请求进行实际读写操作,然后将结果返回给worker(即把结果数据send给worker)。

##数据格式

为了实现进程间异步的读写功能,需要对通信数据的格式做一点规范。

首先是worker的请求数据:

requestMessage = {
  isSharedMemoryMessage: true, // 表示这是一次共享内存的操作通信
  method: ‘set', // or ‘get' 操作的方法
  id: cluster.worker.id, // 发起操作的进程(在一些特殊场景下,用于保证master可以回信)
  uuid: uuid, // 此次操作的(用于注册/调用回调函数)
  key: key, // 要操作的键
  value: value // 键对应的值(写入)
}

master在接到数据后,会根据method执行相应操作,然后根据requestMessage.id将结果数据发给对应的worker,数据格式如下:

responseMessage = {
  isSharedMemoryMessage: true, // 标记这是一次共享内存通信
  uuid: requestMessage.uuid, // 此次操作的唯一标示
  value: value // 返回值。get操作为key对应的值,set操作为成功或失败
}

规范数据格式的意义在于,master在接收到请求后,能够将处理结果发送给对应的worker,而worker在接到回传的结果后,能够调用此次通信对应的callback,从而实现协同。

规范数据格式后,接下来要做的就是设计两套代码,分别用于master进程和worker进程,监听通信并处理通信数据,实现共享内存的功能。

##User类

User类的实例在worker进程中工作,负责发送操作共享内存的请求,并监听master的回信。

var User = function() {
  var self = this;
  self.__uuid__ = 0;
 
  // 缓存回调函数
  self.__getCallbacks__ = {};
 
  // 接收每次操作请求的回信
  process.on('message', function(data) {
    
    if (!data.isSharedMemoryMessage) return;
    // 通过uuid找到相应的回调函数
    var cb = self.__getCallbacks__[data.uuid];
    if (cb && typeof cb == 'function') {
      cb(data.value)
    }
    // 卸载回调函数
    self.__getCallbacks__[data.uuid] = undefined;
  });
};
 
// 处理操作
User.prototype.handle = function(method, key, value, callback) {
 
  var self = this;
  var uuid = self.__uuid__++;
 
  process.send({
    isSharedMemoryMessage: true,
    method: method,
    id: cluster.worker.id,
    uuid: uuid,
    key: key,
    value: value
  });
 
  // 注册回调函数
  self.__getCallbacks__[uuid] = callback;
 
};
 
User.prototype.set = function(key, value, callback) {
  this.handle('set', key, value, callback);
};
 
User.prototype.get = function(key, callback) {
  this.handle('get', key, null, callback);
};

##Manager类

Manager类的实例在master进程中工作,用于初始化一个Object作为共享内存,并根据User实例的请求,在共享内存中增加键值对,或者读取键值,然后将结果发送回去。

var Manager = function() {
 
  var self = this;
  
  // 初始化共享内存
  self.__sharedMemory__ = {};
    
  // 监听并处理来自worker的请求
  cluster.on('online', function(worker) {
    worker.on('message', function(data) {
      // isSharedMemoryMessage是操作共享内存的通信标记
      if (!data.isSharedMemoryMessage) return;
      self.handle(data);
    });
  });
};
 
Manager.prototype.handle = function(data) {
  var self = this;
  var value = this[data.method](data);
 
  var msg = {
    // 标记这是一次共享内存通信
    isSharedMemoryMessage: true,       
    // 此次操作的唯一标示
    uuid: data.uuid,
    // 返回值
    value: value
  };
 
  cluster.workers[data.id].send(msg);
};
 
// set操作返回ok表示成功
Manager.prototype.set = function(data) {
  this.__sharedMemory__[data.key] = data.value;
  return 'OK';
};
 
// get操作返回key对应的值
Manager.prototype.get = function(data) {
  return this.__sharedMemory__[data.key];
};

##使用方法

if (cluster.isMaster) {
 
  // 初始化Manager的实例
  var sharedMemoryManager = new Manager();
 
  // fork第一个worker
  cluster.fork();
 
  // 1秒后fork第二个worker
  setTimeout(function() {
    cluster.fork();
  }, 1000);
   
} else {
 
  // 初始化User类的实例
  var sharedMemoryUser = new User();
 
  if (cluster.worker.id == 1) {
    // 第一个worker向共享内存写入一组数据,用a标记
    sharedMemoryUser.set('a', [0, 1, 2, 3]);
  }
 
  if (cluster.worker.id == 2) {
    // 第二个worker从共享内存读取a的值
    sharedMemoryUser.get('a', function(data) {
      console.log(data); // => [0, 1, 2, 3]
    });
  }
  
}

以上就是一个通过IPC通信实现的多进程共享内存功能,需要注意的是,这种方法是直接在master进程的内存里缓存数据,必须注意内存的使用情况,这里可以考虑加入一些简单的淘汰策略,优化内存的使用。另外,如果单次读写的数据比较大,IPC通信的耗时也会相应增加。

完整代码:https://github.com/x6doooo/sharedmemory

以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持积木网。

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