浅谈Node.js多进程模型中如何实现共享内存（代码详解）

时间：2022-02-11 16:05

本篇文章和大家探讨一下Node.js利用多个核心的方法--worker_threads模块提供的多线程模型，介绍一下Node.js多进程模型中实现共享内存的方法。

Node.js 由于其单线程模型的设计，导致一个Node进程（的主线程）只能利用一个CPU核心，然而现在的机器基本上都是多核的，这造成了严重的性能浪费。通常来说，想要利用到多个核心一般有以下的方法：

编写Node的C++插件扩充线程池，并在JS代码中将CPU耗时任务委托给其它线程处理。
使用worker_threads模块提供的多线程模型（尚在实验阶段）。
使用child_process 或者 cluster模块提供的多进程模型，每个进程都是一个独立的Node.js进程。

从易用、代码入侵性、稳定性的角度来说，多进程模型通常是首要的选择。【推荐学习：《nodejs 教程》】

Node.js cluster 多进程模型存在的问题

在cluster模块提供的多进程模型中，每个Node进程都是一个独立且完整的应用进程，有自己的内存空间，其它进程无法访问。因此虽然在项目启动时，所有Worker进程具有一致的状态和行为，但在之后的运行中无法保证其状态维持一致。

例如，项目启动时有两个Worker进程，进程A和进程B，两个进程都声明了变量a=1。但之后项目接收到一个请求，Master进程将其分派给进程A来处理，这个请求将a的值变更为了2，那么此时进程A的内存空间中a=2，但是进程B的内存空间中a依旧是1。此时如果有个请求读取a的值，Master进程将这个请求分派给进程A和进程B时读取到的结果是不一致的，这就出现了一致性问题。

cluster模块在设计时并没有给出解决方案，而是要求Worker进程是无状态的，即程序员在写代码时不应该允许在处理请求时修改内存中的值，以此来保障所有Worker进程的一致性。然而在实践中总会有各种各样的情况需要写内存，比如记录用户的登录状态等，在许多企业的实践中，通常会把这些状态数据记录在外部，例如数据库、redis、消息队列、文件系统等，每次处理有状态请求时会读写外部存储空间。

这不失为一种有效的做法，然而这需要额外引入一个外部存储空间，同时还要自行处理多进程并发访问下的一致性问题，自行维护数据的生命周期（因为Node进程和维护在外部的数据并不是同步创建和销毁的），以及在高并发访问情况下的IO性能瓶颈（如果是存储在数据库等非内存环境中）。其实本质上来说，我们只是需要一个可供多个进程共享访问的空间罢了，并不需要持久化存储，这段空间的生命周期最好与Node进程强绑定，这样在使用时能省去不少麻烦。因此跨进程的共享内存就成了最适合在这种场景使用的方式。

Node.js 的共享内存

很遗憾Node本身并未提供共享内存的实现，因此我们可以看看npm仓库中第三方库的实现。这些库有些是通过C++插件扩充Node的函数实现的，有些是通过Node提供的IPC机制实现的，但很遗憾它们的实现都很简单，并未提供互斥访问、对象监听等功能，这使得使用者必须自己小心维护这段共享内存，否则就会导致时序问题。

转了一圈下来没找到我想要的。。。那就算了，我自己写一个。

共享内存的设计

首先我们必须理清楚到底需要个什么样的共享内存，我是根据我自身的需求出发（为了在项目中用它来存储跨进程访问的状态数据），同时兼顾通用性，因此会首先考虑以下几点：

以JS对象为基本单位进行读写访问。
能够进程间互斥访问，一个进程访问时，其它进程被阻塞。
能够监听共享内存中的对象，当对象发生变化的时候监听的进程能被通知到。
在满足上述条件的前提下，实现方式尽可能简单。

可以发现，其实我们并不需要操作系统层面的共享内存，只需要能够多个Node进程能访问同一个对象就行了，那么就可以在Node本身提供的机制上实现。可以使用Master进程的一段内存空间作为共享内存空间，Worker进程通过IPC将读写请求委托给Master进程，由Master进程进行读写，然后再通过IPC将结果返回给Worker进程。

为了让共享内存的使用方式在Master进程和Worker进程中一致，我们可以将对共享内存的操作抽离成一个接口，在Master进程和Worker进程中各自实现这个接口。类图如下图所示，用一个SharedMemory类作为抽象接口，在server.js入口文件中声明该对象。其在Master进程中实例化为Manager对象，在Worker进程中实例化为Worker对象。Manager对象来维护共享内存，并处理对共享内存的读写请求，而Worker对象则将读写请求发送到Master进程。

可以使用Manager类中的一个属性作为共享内存对象，访问该对象的方式与访问普通JS对象的方式一致，然后再做一层封装，只暴露get、set、remove等基本操作，避免该属性直接被修改。

由于Master进程会优先于所有Worker进程创建，因此，可以在Master进程中声明共享内存空间之后再创建Worker进程，以此来保证每个Worker进程创建后都可以立即访问共享内存。

为了使用简单，我们可以将SharedMemory设计成单例，这样每个进程中就只有一个实例，并可以在import了SharedMemory之后直接使用。

代码实现

读写控制与IPC通信

首先实现对外接口SharedMemory类，这里没有使用让Manager和Worker继承SharedMemory的方式，而是让SharedMemory在实例化的时候返回一个Manager或Worker的实例，从而实现自动选择子类。

在Node 16中isPrimary替代了isMaster，这里为了兼容使用了两种写法。

// shared-memory.js
class SharedMemory {
  constructor() {
    if (cluster.isMaster || cluster.isPrimary) {
      return new Manager();
    } else {
      return new Worker();
    }
  }
}

Manager负责管理共享内存空间，我们直接在Manager对象中增加__sharedMemory__属性，由于其本身也是JS对象，会被纳入JS的垃圾回收管理中，因此我们不需要进行内存清理、数据迁移等操作，使得实现上非常简洁。之后在__sharedMemory__之中定义set、get、remove等标准操作来提供访问方式。

我们通过cluster.on('online', callback)来监听worker进程的创建事件，并在创建后立即用worker.on('message', callback)来监听来自worker进程的IPC通信，并把通信消息交给handle函数处理。

handle函数的职责是区分worker进程是想进行哪种操作，并取出操作的参数委托给对应的set、get、remove函数（注意不是__sharedMemory__中的set、get、remove）进行处理，并将处理后的结果返还给worker进程。

// manager.js
const cluster = require('cluster');

class Manager {
  constructor() {
    this.__sharedMemory__ = {
      set(key, value) {
        this.memory[key] = value;
      },
      get(key) {
        return this.memory[key];
      },
      remove(key) {
        delete this.memory[key];
      },
      memory: {},
    };

    // Listen the messages from worker processes.
    cluster.on('online', (worker) => {
      worker.on('message', (data) => {
        this.handle(data, worker);
        return false;
      });
    });
  }

  handle(data, target) {
    const args = data.value ? [data.key, data.value] : [data.key];
    this[data.method](...args).then((value) => {
      const msg = {
        id: data.id, // workerId
        uuid: data.uuid, // communicationID
        value,
      };
      target.send(msg);
    });
  }

  set(key, value) {
    return new Promise((resolve) => {
      this.__sharedMemory__.set(key, value);
      resolve('OK');
    });
  }

  get(key) {
    return new Promise((resolve) => {
      resolve(this.__sharedMemory__.get(key));
    });
  }

  remove(key) {
    return new Promise((resolve) => {
      this.__sharedMemory__.remove(key);
      resolve('OK');
    });
  }
}

Worker自对象创建开始就使用process.on监听来自Master进程的返回消息（毕竟不能等消息发送出去以后再监听吧，那就来不及了）。至于__getCallbacks__对象的作用一会儿再说。此时Worker对象便创建完成。

之后项目运行到某个地方的时候，如果要访问共享内存，就会调用Worker的set、get、remove函数，它们又会调用handle函数将消息通过process.send发送到master进程，同时，将得到返回结果时要进行的操作记录在__getCallbacks__中。当结果返回时，会被之前在process.on中的函数监听到，并从__getCallbacks__中取出对应的回调函数，并执行。

因为访问共享内存的过程中会经过IPC，所以必定是异步操作，所以需要记录回调函数，不能实现成同步的方式，不然会阻塞原本的任务。

// worker.js
const cluster = require('cluster');
const { v4: uuid4 } = require('uuid');

class Worker {
  constructor() {
    this.__getCallbacks__ = {};

    process.on('message', (data) => {
      const callback = this.__getCallbacks__[data.uuid];
      if (callback && typeof callback === 'function') {
        callback(data.value);
      }
      delete this.__getCallbacks__[data.uuid];
    });
  }

  set(key, value) {
    return new Promise((resolve) => {
      this.handle('set', key, value, () => {
        resolve();
      });
    });
  }

  get(key) {
    return new Promise((resolve) => {
      this.handle('get', key, null, (value) => {
        resolve(value);
      });
    });
  }

  remove(key) {
    return new Promise((resolve) => {
      this.handle('remove', key, null, () => {
        resolve();
      });
    });
  }

  handle(method, key, value, callback) {
    const uuid = uuid4(); // 每次通信的uuid
    process.send({
      id: cluster.worker.id,
      method,
      uuid,
      key,
      value,
    });
    this.__getCallbacks__[uuid] = callback;
  }
}

一次共享内存访问的完整流程是：调用Worker的set/get/remove函数 -> 调用Worker的handle函数，向master进程通信并将回调函数记录在__getCallbacks__ -> master进程监听到来自worker进程的消息 -> 调用Manager的handle函数 -> 调用Manager的set/get/remove函数 -> 调用__sharedMemory__的set/get/remove函数 -> 操作完成返回Manager的set/get/remove函数 -> 操作完成返回handle函数 -> 向worker进程发送通信消息 -> worker进程监听到来自master进程的消息 -> 从__getCallbacks__中取出回调函数并执行。

互斥访问

到目前为止，我们已经实现了读写共享内存，但还没有结束，目前的共享内存是存在严重安全问题的。因为这个共享内存是可以所有进程同时访问的，然而我们并没有考虑并发访问时的时序问题。我们来看下面这个例子：

时间	进程A	进程B	共享内存中变量x的值
t0			0
t1	读取x（x=0）		0
t2	x1=x+1（x1=1）	读取x（x=0）	0
t3	将x1的值写回x	x2=x+1（x2=1）	1
t4		将x2的值写回x	1

进程A和进程B的目的都是将x的值加1，理想情况下最后x的值应该是2，可是最后的结果却是1。这是因为进程B在t3时刻给x的值加1的时候，使用的是t2时刻读取出来的x的值，但此时从全局角度来看，这个值已经过期了，因为t3时刻x最新的值已经被进程A写为了1，可是进程B无法知道进程外部的变化，所以导致了t4时刻最后写回的值又覆盖掉了进程A写回的值，等于是进程A的行为被覆盖掉了。

在多线程、多进程和分布式中并发情况下的数据一致性问题是老大难问题了，这里不再展开讨论。

为了解决上述问题，我们必须实现进程间互斥访问某个对象，来避免同时操作一个对象，从而使进程可以进行原子操作，所谓原子操作就是不可被打断的一小段连续操作，为此需要引入锁的概念。由于读写均以对象为基本单位，因此锁的粒度设置为对象级别。在某一个进程（的某一任务）获取了某个对象的锁之后，其它要获取锁的进程（的任务）会被阻塞，直到锁被归还。而要进行写操作，则必须要先获取对象的锁。这样在获取到锁直到锁被释放的这段时间里，该对象在共享内存中的值不会被其它进程修改，从而导致错误。

在Manager的__sharedMemory__中加入locks属性，用来记录哪个对象的锁被拿走了，lockRequestQueues属性用来记录被阻塞的任务（正在等待锁的任务）。并增加getLock函数和releaseLock函数，用来申请和归还锁，以及handleLockRequest函数，用来使被阻塞的任务获得锁。在申请锁时，会先将回调函数记录到lockRequestQueues队尾（因为此时该对象的锁可能已被拿走），然后再调用handleLockRequest检查当前锁是否被拿走，若锁还在，则让队首的任务获得锁。归还锁时，先将__sharedMemory__.locks中对应的记录删掉，然后再调用handleLockRequest让队首的任务获得锁。

// manager.js
const { v4: uuid4 } = require('uuid');

class Manager {
  constructor() {
    this.__sharedMemory__ = {
      ...
      locks: {},
      lockRequestQueues: {},
    };
  }

  getLock(key) {
    return new Promise((resolve) => {
      this.__sharedMemory__.lockRequestQueues[key] =
        this.__sharedMemory__.lockRequestQueues[key] ?? [];
      this.__sharedMemory__.lockRequestQueues[key].push(resolve);
      this.handleLockRequest(key);
    });
  }

  releaseLock(key, lockId) {
    return new Promise((resolve) => {
      if (lockId === this.__sharedMemory__.locks[key]) {
        delete this.__sharedMemory__.locks[key];
        this.handleLockRequest(key);
      }
      resolve('OK');
    });
  }

  handleLockRequest(key) {
    return new Promise((resolve) => {
      if (
        !this.__sharedMemory__.locks[key] &&
        this.__sharedMemory__.lockRequestQueues[key]?.length > 0
      ) {
        const callback = this.__sharedMemory__.lockRequestQueues[key].shift();
        const lockId = uuid4();
        this.__sharedMemory__.locks[key] = lockId;
        callback(lockId);
      }
      resolve();
    });
  }
  ...
}

在Worker中，则是增加getLock和releaseLock两个函数，行为与get、set类似，都是调用handle函数。

// worker.js
class Worker {
  getLock(key) {
    return new Promise((resolve) => {
      this.handle('getLock', key, null, (value) => {
        resolve(value);
      });
    });
  }

  releaseLock(key, lockId) {
    return new Promise((resolve) => {
      this.handle('releaseLock', key, lockId, (value) => {
        resolve(value);
      });
    });
  }
  ...
}

监听对象

有时候我们需要监听某个对象值的变化，在单进程Node应用中这很容易做到，只需要重写对象的set属性就可以了，然而在多进程共享内存中，对象和监听者都不在一个进程中，这只能依赖Manager的实现。这里，我们选择了经典的观察者模式来实现监听共享内存中的对象。

为此，我们先在__sharedMemory__中加入listeners属性，用来记录在对象值发生变化时监听者注册的回调函数。然后增加listen函数，其将监听回调函数记录到__sharedMemory__.listeners中，这个监听回调函数会将变化的值发送给对应的worker进程。最后，在set和remove函数返回前调用notifyListener，将所有记录在__sharedMemory__.listeners中监听该对象的所有函数取出并调用。

// manager.js
class Manager {
  constructor() {
    this.__sharedMemory__ = {
      ...
      listeners: {},
    };
  }

  handle(data, target) {
    if (data.method === 'listen') {
      this.listen(data.key, (value) => {
        const msg = {
          isNotified: true,
          id: data.id,
          uuid: data.uuid,
          value,
        };
        target.send(msg);
      });
    } else {
      ...
    }
  }

  notifyListener(key) {
    const listeners = this.__sharedMemory__.listeners[key];
    if (listeners?.length > 0) {
      Promise.all(
        listeners.map(
          (callback) =>
            new Promise((resolve) => {
              callback(this.__sharedMemory__.get(key));
              resolve();
            })
        )
      );
    }
  }

  set(key, value) {
    return new Promise((resolve) => {
      this.__sharedMemory__.set(key, value);
      this.notifyListener(key);
      resolve('OK');
    });
  }

  remove(key) {
    return new Promise((resolve) => {
      this.__sharedMemory__.remove(key);
      this.notifyListener(key);
      resolve('OK');
    });
  }

  listen(key, callback) {
    if (typeof callback === 'function') {
      this.__sharedMemory__.listeners[key] =
        this.__sharedMemory__.listeners[key] ?? [];
      this.__sharedMemory__.listeners[key].push(callback);
    } else {
      throw new Error('a listener must have a callback.');
    }
  }
  ...
}

在Worker中由于监听操作与其它操作不一样，它是一次注册监听回调函数之后对象的值每次变化都会被通知，因此需要在增加一个__getListenerCallbacks__属性用来记录监听操作的回调函数，与__getCallbacks__不同，它里面的函数在收到master的回信之后不会删除。

// worker.js
class Worker {
  constructor() {
    ...
    this.__getListenerCallbacks__ = {};

    process.on('message', (data) => {
      if (data.isNotified) {
        const callback = this.__getListenerCallbacks__[data.uuid];
        if (callback && typeof callback === 'function') {
          callback(data.value);
        }
      } else {
        ...
      }
    });
  }

  handle(method, key, value, callback) {
    ...
    if (method === 'listen') {
      this.__getListenerCallbacks__[uuid] = callback;
    } else {
      this.__getCallbacks__[uuid] = callback;
    }
  }

  listen(key, callback) {
    if (typeof callback === 'function') {
      this.handle('listen', key, null, callback);
    } else {
      throw new Error('a listener must have a callback.');
    }
  }
  ...
}

LRU缓存

有时候我们需要用用内存作为缓存，但多进程中各进程的内存空间独立，不能共享，因此也需要用到共享内存。但是如果用共享内存中的一个对象作为缓存的话，由于每次IPC都需要传输整个缓存对象，会导致缓存对象不能太大（否则序列化和反序列化耗时太长），而且由于写缓存对象的操作需要加锁，进一步影响了性能，而原本我们使用缓存就是为了加快访问速度。其实在使用缓存的时候通常不会做复杂操作，大多数时候也不需要保障一致性，因此我们可以在Manager再增加一个共享内存__sharedLRUMemory__，其为一个lru-cache实例，并增加getLRU、setLRU、removeLRU函数，与set、get、remove函数类似。

// manager.js
const LRU = require('lru-cache');

class Manager {
  constructor() {
    ...
    this.defaultLRUOptions = { max: 10000, maxAge: 1000 * 60 * 5 };
    this.__sharedLRUMemory__ = new LRU(this.defaultLRUOptions);
  }

  getLRU(key) {
    return new Promise((resolve) => {
      resolve(this.__sharedLRUMemory__.get(key));
    });
  }

  setLRU(key, value) {
    return new Promise((resolve) => {
      this.__sharedLRUMemory__.set(key, value);
      resolve('OK');
    });
  }

  removeLRU(key) {
    return new Promise((resolve) => {
      this.__sharedLRUMemory__.del(key);
      resolve('OK');
    });
  }
  ...
}

Worker中也增加getLRU、setLRU、removeLRU函数。

// worker.js
class Worker {
  getLRU(key) {
    return new Promise((resolve) => {
      this.handle('getLRU', key, null, (value) => {
        resolve(value);
      });
    });
  }

  setLRU(key, value) {
    return new Promise((resolve) => {
      this.handle('setLRU', key, value, () => {
        resolve();
      });
    });
  }

  removeLRU(key) {
    return new Promise((resolve) => {
      this.handle('removeLRU', key, null, () => {
        resolve();
      });
    });
  }
  ...
}

共享内存的使用方式

目前共享内存的实现已发到npm仓库（文档和源代码在Github仓库，欢迎pull request和报bug），可以直接通过npm安装：

npm i cluster-shared-memory

下面的示例包含了基本使用方法：

const cluster = require('cluster');
// 引入模块时会根据当前进程 master 进程还是 worker 进程自动创建对应的 SharedMemory 对象
require('cluster-shared-memory');

if (cluster.isMaster) {
  // 在 master 进程中 fork 子进程
  for (let i = 0; i < 2; i++) {
    cluster.fork();
  }
} else {
  const sharedMemoryController = require('./src/shared-memory');
  const obj = {
    name: 'Tom',
    age: 10,
  };
  
  // 写对象
  await sharedMemoryController.set('myObj', obj);
  
  // 读对象
  const myObj = await sharedMemoryController.get('myObj');
  
  // 互斥访问对象，首先获得对象的锁
  const lockId = await sharedMemoryController.getLock('myObj');
  const newObj = await sharedMemoryController.get('myObj');
  newObj.age = newObj.age + 1;
  await sharedMemoryController.set('myObj', newObj);
  // 操作完之后释放锁
  await sharedMemoryController.releaseLock('requestTimes', lockId);
  
  // 或者使用 mutex 函数自动获取和释放锁
  await sharedMemoryController.mutex('myObj', async () => {
    const newObjM = await sharedMemoryController.get('myObj');
    newObjM.age = newObjM.age + 1;
    await sharedMemoryController.set('myObj', newObjM);
  });
  
  // 监听对象
  sharedMemoryController.listen('myObj', (value) => {
    console.log(`myObj: ${value}`);
  });
  
  //写LRU缓存
  await sharedMemoryController.setLRU('cacheItem', {user: 'Tom'});
  
  // 读对象
  const cacheItem = await sharedMemoryController.getLRU('cacheItem');
}