Node.js worker_threads 模块详解

Node.js 的 worker_threads 模块 允许开发者在 Node.js 应用程序中创建真正的多线程。传统上，Node.js 是单线程的，其事件循环处理 I/O 密集型任务非常高效，但在面对 CPU 密集型任务时，单线程模型会导致事件循环阻塞，从而影响应用程序的响应性。worker_threads 模块正是为了解决这一痛点而引入的，它使得 Node.js 能够更好地利用多核 CPU 资源，执行并行计算，而不会阻塞主事件循环。

核心思想：将 CPU 密集型任务从主线程卸载到独立的 Worker 线程中执行，从而防止主事件循环被阻塞，保持应用程序的响应性和吞吐量。 每个 Worker 线程拥有独立的 V8 实例、事件循环和内存空间，通过消息传递进行通信。

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一、为什么需要 worker_threads？

Node.js 以其非阻塞 I/O 模型而闻名，这得益于其单线程的事件循环。对于网络请求、文件读写等 I/O 密集型操作，Node.js 可以通过异步回调或 Promise 迅速处理大量并发请求。然而，这种模型在处理以下情况时会遇到瓶颈：

1. CPU 密集型任务：例如复杂的数学计算、数据加密/解密、图片或视频处理、大量数据转换等。这些任务会长时间占用 CPU，并阻塞主线程的事件循环。

   • 问题：当主线程被 CPU 密集型任务阻塞时，所有新的传入请求（如 HTTP 请求）都将等待，导致应用程序无响应，用户体验下降。

2. 长时间运行的任务：任何耗时较长的同步操作都会对事件循环造成压力。

在 worker_threads 模块出现之前，Node.js 解决 CPU 密集型任务的常见方案是使用 child_process 模块创建子进程。虽然子进程也能实现并行，但它们之间通信开销较大，且每个子进程都有独立的 Node.js 运行时和内存空间，资源消耗相对较高。

worker_threads 模块提供了更轻量级的线程模型，它解决了 child_process 的一些局限性，使得 Node.js 能够：

• 更好地利用多核 CPU：将 CPU 密集型任务分发到多个 Worker 线程并行执行。
• 保持主线程的响应性：确保主事件循环不被阻塞，即使在执行耗时计算时也能继续处理 I/O 和其他请求。
• 更高效的通信：线程间的消息传递比进程间通信更高效。
• 支持共享内存：通过 SharedArrayBuffer 实现线程间内存共享，进一步优化性能（但需谨慎处理）。

二、worker_threads 模块的核心概念

2.1 主线程 (Main Thread)

启动 Node.js 应用程序的原始线程。它负责处理大部分 I/O 操作和事件循环，并可以创建和管理 Worker 线程。

2.2 Worker 线程 (Worker Thread)

由主线程创建的独立执行线程。每个 Worker 线程：

• 拥有自己的 V8 实例（独立的内存堆）。
• 拥有自己的事件循环。
• 运行一个独立的 JavaScript 脚本文件。
• 无法直接访问主线程的全局变量或内存，必须通过消息传递进行通信。

2.3 消息传递 (Message Passing)

主线程和 Worker 线程之间通信的主要方式。它们通过发送和接收消息来交换数据。

• postMessage(value[, transferList]): 用于向另一个线程发送数据。
• on('message', callback): 用于监听接收到的消息。

2.4 共享内存 (Shared Memory)

虽然 Worker 线程默认不共享内存，但可以通过 SharedArrayBuffer 对象实现真正的共享内存。当一个 SharedArrayBuffer 实例被传递给 Worker 线程时，主线程和 Worker 线程都指向同一个底层的内存块。这需要使用 Atomics API 来进行同步操作，以避免竞态条件。

2.5 Worker 类

在主线程中用于创建和管理 Worker 线程的构造函数。

• new Worker(filename[, options]): 创建一个新的 Worker 线程，filename 是 Worker 线程将执行的脚本路径。
• workerData: options 中的一个属性，用于在 Worker 线程启动时传递初始数据。

2.6 parentPort

在 Worker 线程中，parentPort 是一个 MessagePort 实例，用于与创建它的主线程进行通信。它提供了 postMessage() 和 on('message', callback) 方法。

2.7 isMainThread

一个布尔值，用于判断当前代码是否运行在主线程中。在 Worker 线程中为 false，在主线程中为 true。

三、worker_threads 工作原理架构

worker_threads 模块允许 Node.js 进程内部创建多个 V8 引擎实例，每个实例都在一个独立的线程中运行。这些线程共享操作系统级别的进程资源（如文件描述符），但拥有独立的 JavaScript 运行时环境和内存空间。

四、基本使用示例

我们以一个计算一个大数是否为素数的 CPU 密集型任务为例。

4.1 Worker 线程脚本 (worker.js)

// worker.js
const { parentPort, workerData } = require('worker_threads');

/**
 * 检查一个数字是否为素数
 * 这是一个 CPU 密集型任务
 * @param {number} num
 * @returns {boolean}
 */
function isPrime(num) {
  if (num <= 1) return false;
  if (num <= 3) return true;
  if (num % 2 === 0 || num % 3 === 0) return false;
  for (let i = 5; i * i <= num; i = i + 6) {
    if (num % i === 0 || num % (i + 2) === 0) return false;
  }
  return true;
}

// 接收主线程发送的初始数据 (workerData)
const numberToCheck = workerData.number;
const startTime = Date.now();

// 执行 CPU 密集型任务
const result = isPrime(numberToCheck);
const endTime = Date.now();

// 将结果和耗时发送回主线程
parentPort.postMessage({
  number: numberToCheck,
  isPrime: result,
  timeTaken: `${endTime - startTime}ms`
});

// 监听主线程可能发来的额外消息
parentPort.on('message', (message) => {
  if (message.type === 'check_another') {
    const anotherNumber = message.number;
    const anotherStartTime = Date.now();
    const anotherResult = isPrime(anotherNumber);
    const anotherEndTime = Date.now();
    parentPort.postMessage({
      type: 'another_check_result',
      number: anotherNumber,
      isPrime: anotherResult,
      timeTaken: `${anotherEndTime - anotherStartTime}ms`
    });
  }
});

4.2 主线程脚本 (main.js)

// main.js
const { Worker, isMainThread, parentPort } = require('worker_threads');

if (isMainThread) {
  console.log('--- Running in Main Thread ---');

  const numbersToProcess = [
    123456789123456789n, // 一个很大的合数
    982451653,           // 一个很大的素数
    982451654,           // 一个很大的合数
    17,                  // 小素数
    123456789123456787n  // 另一个大素数 (注意这里使用了 BigInt)
  ];

  const workers = [];

  // 创建并启动多个 Worker 线程
  numbersToProcess.forEach((num, index) => {
    // 创建一个 Worker 实例，并传递初始数据
    const worker = new Worker('./worker.js', {
      workerData: { number: num }
    });
    workers.push(worker);

    // 监听 Worker 线程发送的消息
    worker.on('message', (message) => {
      if (message.type === 'another_check_result') {
        console.log(`Worker ${index + 1} (another check): Number ${message.number} is prime: ${message.isPrime}, took ${message.timeTaken}`);
      } else {
        console.log(`Worker ${index + 1}: Number ${message.number} is prime: ${message.isPrime}, took ${message.timeTaken}`);
      }

      // 如果所有工作都完成了，可以终止 Worker
      // worker.terminate(); // 根据需求决定是否立即终止
    });

    // 监听 Worker 线程的错误
    worker.on('error', (err) => {
      console.error(`Worker ${index + 1} encountered an error:`, err);
    });

    // 监听 Worker 线程退出
    worker.on('exit', (code) => {
      if (code !== 0) {
        console.error(`Worker ${index + 1} stopped with exit code ${code}`);
      } else {
        console.log(`Worker ${index + 1} exited normally.`);
      }
      // 从列表中移除已退出的 worker
      const idx = workers.indexOf(worker);
      if (idx > -1) {
        workers.splice(idx, 1);
      }
      if (workers.length === 0) {
        console.log('All workers have finished and exited.');
      }
    });
  });

  // 在所有 Worker 都开始工作后，主线程可以继续执行其他任务
  console.log('Main thread continues to run...');

  // 示例：主线程稍后向某个 Worker 发送新的任务
  setTimeout(() => {
    if (workers[0]) {
      console.log('Main thread sending new task to Worker 1...');
      workers[0].postMessage({ type: 'check_another', number: 1234567891 });
    }
  }, 2000);

} else {
  // 这段代码不会在 worker.js 中执行，因为 worker.js 被直接作为脚本传递给 Worker 构造函数
  // 但如果 worker.js 内部也检查 isMainThread，它会发现自己不是主线程
  console.log('--- Running in Worker Thread (This message should not appear if worker.js is directly used) ---');
  // 这里的代码只会在 worker.js 自身被直接作为 Node.js 脚本运行时执行
  // 在 worker_threads 场景下，是 parentPort 来处理通信
}

运行方式

保存上述两个文件，然后在终端中运行 main.js：

node main.js

观察结果：你会发现主线程的 Main thread continues to run... 消息会立即打印出来，而 Worker 线程的计算结果则会异步地陆续返回，证明了主线程并未被计算任务阻塞。

五、高级用法与注意事项

5.1 SharedArrayBuffer 与 Atomics

• SharedArrayBuffer：用于创建可被多个 Worker 线程共享的原始二进制数据缓冲区。
• Atomics：提供了一组静态方法，用于在 SharedArrayBuffer 上执行原子操作。这些操作是不可中断的，确保了在多线程环境下数据的完整性和同步性，防止竞态条件。
• 使用场景：当多个 Worker 线程需要频繁读写同一块内存时，SharedArrayBuffer 可以显著减少消息传递的开销，提高性能。但它也带来了多线程编程的复杂性，需要开发者自行处理同步问题。

5.2 错误处理与生命周期

• worker.on('error', callback): 捕获 Worker 线程内部未捕获的异常。
• worker.on('exit', callback): 在 Worker 线程退出时触发，无论正常退出还是因错误退出。code 参数为退出码（0 表示成功）。
• worker.terminate(): 手动终止 Worker 线程。这会发送一个 SIGTERM 信号，强制 Worker 退出。如果 Worker 正在执行 CPU 密集型任务，这可能不是立即的。

5.3 Worker Pool (工作池)

频繁地创建和销毁 Worker 线程会带来一定的性能开销。对于需要处理大量短期 CPU 密集型任务的场景，推荐使用 Worker Pool：

1. 预先创建固定数量的 Worker 线程。
2. 维护一个任务队列。
3. 当有新任务到来时，从池中取出一个空闲 Worker 进行处理。
4. Worker 完成任务后，将其返回到池中，等待下一个任务。

这可以有效地复用 Worker 线程，减少创建和销毁的开销，并限制并发 Worker 的数量，避免系统资源耗尽。

5.4 何时不使用 worker_threads

• I/O 密集型任务：Node.js 的事件循环本身就非常擅长处理 I/O 密集型任务。将它们放入 Worker 线程通常不会带来性能提升，反而可能增加线程间通信的开销和复杂性。
• 少量或简单的 CPU 任务：对于耗时极短的 CPU 任务，创建 Worker 的开销可能大于直接在主线程执行的开销。
• 对简单代码的过度设计：引入多线程会增加代码的复杂性、调试难度和潜在的竞态条件。只在真正需要时使用。

六、worker_threads 与 child_process 对比

特性	child_process (子进程)	worker_threads (工作线程)
执行单元	操作系统进程 (Operating System Process)	进程内的线程 (Thread within a Process)
资源消耗	较高 (独立的 Node.js 运行时、内存空间、文件描述符等)	较低 (共享部分进程资源，独立 V8 实例和堆)
启动速度	较慢	较快
通信方式	IPC (Inter-Process Communication)，如管道、TCP 套接字、消息队列等	消息传递 (postMessage())，通过 MessagePort 对象；可选 SharedArrayBuffer
内存共享	默认不共享，只能通过 IPC 传递数据	默认不共享，但可通过 SharedArrayBuffer 实现真正的内存共享 (需 Atomics 同步)
适用场景	外部命令执行、长时运行的 I/O 密集型任务、独立的微服务、需要较高隔离度的任务	CPU 密集型任务、并行计算、需要保持主线程响应性、计算密集型数据处理
错误隔离	进程级别隔离，一个子进程崩溃不会影响主进程	线程级别隔离，但由于在同一进程内，可能对整个进程稳定性有影响 (如内存泄漏)

七、总结

worker_threads 模块是 Node.js 解决 CPU 密集型任务阻塞主线程问题的强大工具。它通过引入多线程并行执行能力，使得 Node.js 应用程序能够更好地利用多核 CPU 资源，保持出色的响应性。然而，多线程编程引入了新的复杂性，如数据同步、竞态条件和错误处理。开发者在使用 worker_threads 时应权衡其带来的性能优势和额外的开发维护成本，并遵循最佳实践，例如使用 Worker Pool 管理线程，以及在必要时才使用 SharedArrayBuffer。正确使用 worker_threads 可以显著提升 Node.js 应用在特定场景下的性能和用户体验。