工作线程架构

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本文档详细介绍了 Node.js Worker Threads 架构，解释了 Node.js 如何通过隔离的线程实现并行 JavaScript 执行。它涵盖了 worker 线程的创建方式、它们之间的通信方式以及它们的生命周期管理。有关用于创建和与 worker 线程交互的模块 API 的信息，请参阅 worker_threads 模块的文档。

Worker 线程概述

Worker 线程提供了一种通过在单独的线程中运行代码来并行执行 JavaScript 的方法。与创建单独进程的 cluster 模块不同，worker 线程共享同一个进程，但拥有自己隔离的 JavaScript 执行环境。

Node.js 中的 Worker 线程的设计遵循以下原则：

• 隔离性：每个 worker 都在其自己的 V8 隔离环境中运行，拥有独立的 JavaScript 堆。
• 通信：线程之间通过显式消息传递交换数据。
• 资源管理：可以为 worker 配置特定的内存限制。
• 集成性：Worker 共享同一进程，但拥有独立的事件循环。

Worker 线程的主要优势

功能	描述
内存共享	通过 SharedArrayBuffer 高效共享内存。
较低的开销	比创建单独进程的成本更低。
并行执行	利用多个 CPU 核心执行 JavaScript。
独立的崩溃处理	Worker 中的错误不会导致主应用程序崩溃。

来源：src/node_worker.h28-137 src/node_worker.cc1-50

架构概述

Worker 线程架构由几个关键组件组成，这些组件相互作用，在同一进程中创建和管理独立的 JavaScript 执行环境。

来源：src/node_worker.h28-137 src/node_worker.cc50-146 src/node.cc358-405

关键组件

Worker 类

The Worker 类是 worker 线程系统的核心组件。它充当主线程和子线程之间的桥梁。

主线程中的每个 Worker 实例负责管理：

• Worker 线程的生命周期。
• 主线程和 worker 之间的通信通道。
• Worker 的资源限制。
• 错误处理和终止。

来源：src/node_worker.h28-137 src/node_worker.cc50-104

WorkerThreadData

The WorkerThreadData 类管理仅在 worker 线程运行时与该线程本身相关的数据。它负责：

• 创建和管理 worker 的事件循环（uv_loop_t）。
• 创建和配置 worker 的 V8 隔离环境。
• 处理 worker 终止时的清理工作。

来源：src/node_worker.cc144-271

Worker 线程创建过程

创建新 worker 时，会经历一个复杂的初始化过程，以创建一个隔离的 JavaScript 环境。

该过程包括以下步骤：

1. Worker 构造:

   • 主线程创建 Worker 实例。
   • 设置用于通信的消息端口。
   • 配置资源限制和选项。

2. 线程初始化:

   • 创建新的原生线程。
   • Worker 线程创建自己的事件循环。
   • 初始化新的 V8 隔离环境。

3. 环境设置:

   • 为 worker 创建 IsolateData 实例。
   • 为 worker 创建新的 Environment。
   • 设置全局对象和消息端口。

4. 代码执行:

   • 加载并执行 worker 的 JavaScript 代码。
   • 启动 worker 的事件循环。

来源：src/node_worker.cc144-339 src/node_worker.cc498-624

V8 隔离环境创建

每个 worker 线程都有自己的 V8 隔离环境，它提供了一个独立的 JavaScript 执行环境。这是 worker 架构的关键部分。

Worker 隔离环境创建的重要方面：

1. 资源限制：Worker 可以为以下方面设置自定义内存限制：

   • 年轻代堆大小
   • 老年代堆大小
   • 代码区大小

2. 隔离环境配置:

   • 每个隔离环境都会在平台中注册。
   • 配置堆栈限制。
   • 可以设置堆大小限制。

3. Worker 上下文关联:

   • 使用 set_worker_context() 将 worker 与其隔离环境数据相关联。

来源：src/node_worker.cc144-227 src/api/environment.cc303-345

线程通信

Worker 通过消息端口与主线程和其他 worker 进行通信。通信模型使用显式的消息传递，而不是共享内存（尽管 SharedArrayBuffer 可用于共享内存）。

创建 worker 时：

1. 主线程创建一个消息端口对。
2. 一个端口保留在主线程中。
3. 另一个端口的数据传递给 worker。
4. Worker 创建自己的消息端口，连接到主线程的数据。

这会在主线程和 worker 线程之间建立一个双向通信通道。消息端口允许结构化克隆 JavaScript 对象或在线程之间传递某些对象。

来源：src/node_worker.cc73-83 src/node_messaging.cc

资源管理

Worker 线程可以配置各种资源限制，以控制内存使用量并防止单个 worker 消耗过多资源。

内存限制

Worker 支持多种类型的内存限制：

这些限制在 worker 创建期间应用，可以根据 worker 的具体需求进行自定义，以优化资源使用。

引用计数

Worker 实现了类似于其他 Node.js handle 的引用计数机制，允许控制 worker 是否保持事件循环的活动状态。

在底层，这由 Worker 类中的 has_ref_ 属性管理，并传递给 libuv。

来源：src/node_worker.h70-81 src/node_worker.cc104-143

Worker 生命周期

Worker 线程的生命周期包括创建、执行和终止阶段。

Worker 终止

Worker 可以通过几种方式终止：

1. 自然退出：当 worker 的事件循环没有更多待处理工作时。
2. 显式终止：通过 worker.terminate() 方法。
3. 错误终止：当 worker 中发生未捕获的异常时。
4. 退出方法：通过在 worker 中调用 process.exit()。

Worker 终止时，会进行清理过程：

1. Worker 的环境被标记为停止。
2. Worker 的事件循环被停止。
3. Worker 线程被加入（join）。
4. Worker 的隔离环境被销毁。
5. 与 worker 相关的资源被释放。

来源：src/node_worker.cc625-734 src/node_worker.cc786-829

线程安全注意事项

Node.js Worker 线程实现了各种机制来确保线程安全：

机制	描述
互斥锁	保护对共享数据结构的访问。
消息传递	显式通信，而非共享状态。
隔离的堆	每个线程都有自己的 JavaScript 堆。
线程本地存储	环境和隔离环境数据是线程本地的。

The Worker 类本身使用互斥锁来保护可能从主线程和 worker 线程访问的字段。

来源：src/node_worker.h97-99 src/node_worker.cc106-208

调试与检查

Worker 线程通过 inspector 协议支持调试。创建 worker 时，可以为其创建一个 InspectorParentHandle。

这允许调试工具连接并调试单个 worker 线程。

来源： src/node_worker.cc92-96 src/api/environment.cc389-465

总结

Node.js Worker Threads 架构提供了一种在同一进程内创建隔离的 V8 环境来并行执行 JavaScript 代码的方式。该设计平衡了隔离的安全性与实用的高效通信机制。

关键架构方面包括：

• 为每个线程提供独立的 V8 实例
• 线程间的基于消息的通信
• 用于控制内存使用的资源限制
• Worker 的完整生命周期管理

这种架构使 Node.js 应用程序能够有效地利用多核系统，同时保持了 JavaScript 开发人员熟悉的每个 Worker 内部的单线程执行模型。