Nodejs中怎么解決CPU密集型任務

這篇文章給大家介紹Nodejs中怎么解決CPU密集型任務，內容非常詳細，感興趣的小伙伴們可以參考借鑒，希望對大家能有所幫助。

一. 方案對比

二. 其他的線程池方案

1 Libuv和nginx的線程池：線程數固定，多個線程共享一個任務隊列，沒有任務時主動掛起，不會主動退出。

2 Java：線程數運行時可以動態增加，支持空閑退出、任務過載多種處理策略，多種類型的線程池。

三. 訴求

1 提交一個js文件處理cpu型任務，這樣比較方便。而不是傳一個函數，需要經過各種序列化反序列化。

2 一個全局的線程池，可以支持多種類型的任務，類似libuv線程池

3 空閑過久的線程可以主動退出

4 任務過載可以動態擴展線程數

Nodejs線程池的調研：

1 machenjie/node-thread-pool 任務只能是代碼字符串，固定線程數，不支持空閑線程主動退出

2 Truth2984/thread_pools 任務只能是代碼字符串，沒有實現池化，每次創建一個線程，執行完任務退出。

3 bruno303/node-workers-pool 任務只能是代碼字符串，不支持空閑退出

4 zebrajaeger/threadpool 不是線程池的概念 5

psastras/node-threadpool 沒有實現池化，不支持空閑退出

6 node-worker-threads-pool 周下載量20k左右，star 80。任務只能是代碼字符串，不支持空閑線程退出,固定線程數

7 threads 周下載量20k左右，star 1.1k 是對線程模塊的封裝，沒有實現池化能力

8 poolifier 周下載量5000左右，star 59，任務可以是js文件，一個類型的任務新建一個線程池，無法共享線程池

目前的npm包看起來還不太能滿足需求。所以決定寫一個。

四.線程池的設計需要考慮的問題

1 對于純cpu型的任務，線程數和cpu核數要相等才能達到最優的性能，否則過多的線程引起的上下文切換反而會導致性能下降。

2  對于io型的任務，更多的線程理論上是會更好，因為可以更早地給硬盤發出命令，磁盤會優化并持續地處理請求。當然，線程數也不是越多越好。線程過多會引起系統負載過高，過多上下文切換也會帶來性能的下降。

3 使用方便、簡單

整體架構(原圖[1])

五. 設計思想

1 任務隊列的設計

1.1傳統的線程池設計 維護一個共享的任務隊列，然后多個線程通過加鎖互斥的方式訪問該隊列，取出任務執行。比如libuv，nginx。

1.2 我們的設計  因為我們是通過js使用nodejs線程池的，隊列也是使用js數據結構表示的。所以我們無法通過加鎖的方式互斥訪問共享隊列。這就會引起競態條件。我們使用的方式是，每個子線程維護自己的任務隊列，調度中心把任務提交給子線程，子線程自己插入所維護的隊列中。

2 線程類型和任務數  把線程分為核心線程和替補線程。分為幾個關鍵的概念：子線程當前的任務數，線程池的總任務數、核心線程數和最大線程數。在總任務數還沒有得到閾值時，所有任務都由核心線程處理，達到閾值后，會創建替補線程處理。

3 過載處理策略和選擇線程的策略  任務過載時，就會觸發過載處理策略。分為報錯、在主線程執行任務、繼續交給子線程處理、刪除最老的任務。選擇線程的策略為選擇任務數最少的線程。

4 空閑策略 當沒有任務可處理的時候，線程池的線程怎么辦?

4.1 傳統的設計  使用條件變量機制，把線程阻塞在條件變量中，這時候操作系統不會調度該線程執行，所以不會浪費cpu，等到有新任務到來時，主線程會喚醒被阻塞的子線程。不過阻塞的線程依然占據著系統資源，如果一直沒有任務，則浪費資源。

4.2 我們的設計  我們在js層無法像底層線程一樣使用條件變量，所以我們無法阻塞自己，這就意味著我們會一直在空轉、浪費資源。所以我們設計了線程的空閑退出時間，達到這個時間后，線程退出。盡快釋放資源。

5 如何設計用戶和線程池的通信 用戶提交任務后，如果知道任務什么時候執行完?如何拿到執行結果?執行任務的時候，參數如何傳進去?

5.1 傳統的設計 用戶把需要處理的邏輯封裝到函數中，然后子線程中阻塞時執行，執行完后，同步拿到結果。

5.2 我們的設計  但是在nodejs中不太一樣。Nodejs使用work_thread模塊創建的線程，其實是一個和主線程獨立的事件循環。所以我們在子線程里執行任務時，其實就相當于在執行一個nodejs的實例，這就意味著我們可以以同步和異步的方式編程我們任務函數代碼。那么以異步方式進行處理的任務，我們如何拿到結果?為了解決以上問題，我們使用函數和Promise方案。用戶提交的任務具體表現為一個返回Promise的函數，使用函數是因為我們可以在處理任務(執行函數)時，把用戶自定義的參數傳進去，使用Promise可以等到用戶返回的Promise決議時，拿到返回的值，從而返回給用戶。

具體實現：用戶定義的邏輯test.js

module.exports = function() {     return new Promise((resolve, reject) => {         setTimeout(() => {             resolve({code: 0});         },3000)     }) }

子線程邏輯

const result = await require('./test')(options);

六.成果

線程池支持的參數

1 coreThreads：核心線程數，默認10個 2 maxThreads：最大線程數，默認50，只在支持動態擴容的情況下，該參數有效，否則該參數等于核心線程數 3 sync：線程處理任務的模式，同步則串行處理任務，異步則并行處理任務，不同步等待用戶代碼的執行結果 4 discardPolicy：任務超過閾值時的處理策略，策略如下 5 preCreate：是否預創建線程池 6 maxIdleTime：線程空閑多久后自動退出 7 pollIntervalTime：線程隔多久輪詢是否有任務需要處理 8 maxWork：線程池最大任務數  9 expansion：是否支持動態擴容線程，閾值是最大線程數

支持的線程池類型

// 串行處理任務隊列里的任務 const defaultSyncThreadPool = new SyncThreadPool(); // 并行處理任務隊列里的任務 const defaultAsyncThreadPool = new AsyncThreadPool(); // 針對cpu密集型任務的線程池，線程數等于cpu核數 const defaultCpuThreadPool = new CPUThreadPool(); // 線程數固定的線程池 const defaultFixedThreadPool = new FixedThreadPool(); // 只有一個線程的線程池，任務在線程池中按序執行 const defaultSingleThreadPool = new SingleThreadPool();

七. 使用方式

方式1

nodejs子線程和nodejs主線程共享一個libuv線程池，如果在子線程中使用了libuv的線程池，會和主線程競爭libuv子線程。從而影響主線程的任務執行。如果是純cpu的計算，則可以這樣使用。下面是這種使用方式下，nodejs的架構。

方式2

在nodejs主進程外開啟一個新的進程進行任務的處理，和主進程保持獨立，保證穩定性的同時，也不會和主進程競爭libuv的線程。如果在子線程中需要用到libuv線程池，則使用方式2比較好。下面是方式2對應的nodejs架構。

八. 具體例子

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