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Mar 20, 2015

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Node.js进程通信模块child_process

从零开始nodejs系列文章，将介绍如何利Javascript做为服务端脚本，通过Nodejs框架web开发。Nodejs框架是基于V8的引擎，是目前速度最快的Javascript引擎。chrome浏览器就基于V8，同时打开20-30个网页都很流畅。Nodejs标准的web开发框架Express，可以帮助我们迅速建立web站点，比起PHP的开发效率更高，而且学习曲线更低。非常适合小型网站，个性化网站，我们自己的Geek网站！！

关于作者

张丹(Conan), 创业者，程序员(Java,R,Javascript/Nodejs)
weibo：@Conan_Z
blog: http://blog.fens.me
email: bsspirit@gmail.com

转载请注明出处：
http://blog.fens.me/nodejs-child-process/

前言

Node.js是一种单线程的编程模型，对Node.js的赞美和诟病的也都是因为它的单线程模型，所有的任务都在一个线程中完成（I/O等例外）。单线程模型，不仅让代码非常简洁，更是直接避免了线程调度的复杂性；同样也是因为单线程，让CPU密集型计算应用，完全不适用。

在Node.js的内核中，给了我们一种新的选择，通过child_process模块创建新进程，从而实现多核并行计算。

child_process介绍
child_process的基本使用：spawn, exec, execFile, fork

1. child_process介绍

child_process是Node.js的一个十分重要的模块，通过它可以实现创建多进程，以利用单机的多核计算资源。虽然，Nodejs天生是单线程单进程的，但是有了child_process模块，可以在程序中直接创建子进程，并使用主进程和子进程之间实现通信，等到子进程运行结束以后，主进程再用回调函数读取子进程的运行结果。

本文仅从使用上对child_process模块进行介绍，对于深入的内容请参考官方文档，https://nodejs.org/api/child_process.html

关于Node.js线程不错的文章：https://cnodejs.org/topic/518b679763e9f8a5424406e9

2. child_process的基本使用

child_process模块，在v0.12.0版本主要包括4个异步进程函数(spawn,exec,execFile,fork)和3个同步进程函数(spawnSync,execFileSync,execSync)。以异步函数中spawn是最基本的创建子进程的函数，其他三个异步函数都是对spawn不同程度的封装。spawn只能运行指定的程序，参数需要在列表中给出，而exec可以直接运行复杂的命令。

比如要运行 du -sh /disk1 命令，使用spawn函数需要写成spawn(‘du ‘, [‘-sh ‘, ‘/disk1’])，而使用exec函数时，可以直接写成exec(‘du -sh /disk1’)。exec是会先进行Shell语法解析，因此用exec函数可以更方便的使用复杂的Shell命令，包括管道、重定向等。下面我们就针对每个异步函数，进行测试一下。

系统环境

Linux Ubuntu 14.04.1 LTS 64bit
Nodejs:v0.13.0-pre
Npm:1.4.28

创建项目


~ cd /disk1/demo
~ mkdir nodejs-childprocess && cd nodejs-childprocess

2.1 spawn函数

spawn从定义来看，有3个参数。

child_process.spawn(command[, args][, options])

command: 只执行的命令
args: 参数列表，可输入多的参数
options: 环境变量对象

其中环境变量对象包括7个属性：

cwd: 子进程的当前工作目录
env: 环境变量键值对
stdio: 子进程 stdio 配置
customFds: 作为子进程 stdio 使用的文件标示符
detached: 进程组的主控制
uid: 用户进程的ID.
gid: 进程组的ID.

首先，我们运行一下，上文提到的du的命令。直接在命令行，运行的结果。


~ du -sh /disk1
582M    /disk1

新建文件spawn.js


~ vi spawn.js

var child = require('child_process');
var du = child.spawn('du', ['-sh', '/disk1']);
du.stdout.on('data', function (data) {
    console.log('stdout: ' + data);
});
du.stderr.on('data', function (data) {
    console.log('stderr: ' + data);
});
du.on('exit', function (code) {
    console.log('child process exited with code ' + code);
});

通过node运行的结果


~ node spawn.js

stdout: 582M    /disk1
child process exited with code 0

输出的结果是一样的，这样我们就可以很方便地以异步的方式调用系统命令了，spawn是不支持callback函数的，通过stream的方式发数据传给主进程，从而实现了多进程之间的数据交换。

这个功能的直接用应用场景就是“系统监控”。在Linux下，我们有很多命令行工具，可以实时监控CPU,内存,IO,网络等数据，那么用Node的child_process模块可以很容易地把这些数据采集的我们自己的应用中。

比如，我们用mpstat命令，监控用户CPU的使用情况。先看看mpstat命令直接使用的效果。


~ mpstat 1
Linux 3.13.0-32-generic (ape3)  03/20/2015      _x86_64_        (4 CPU)
11:45:56 AM  CPU    %usr   %nice    %sys %iowait    %irq   %soft  %steal  %guest  %gnice   %idle
11:45:57 AM  all   96.50    0.00    3.50    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00
11:45:58 AM  all   96.50    0.00    3.25    0.00    0.25    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00
11:45:59 AM  all   96.50    0.00    3.50    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00
11:46:00 AM  all   96.50    0.00    3.50    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00
11:46:01 AM  all   96.26    0.00    3.24    0.00    0.25    0.00    0.25    0.00    0.00    0.00
11:46:02 AM  all   96.75    0.00    3.25    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00
11:46:03 AM  all   96.51    0.00    3.24    0.00    0.25    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00
^C
Average:     all   96.50    0.00    3.35    0.00    0.11    0.00    0.04    0.00    0.00    0.00

我们新建文件mpstat.js，读取mpstat命令的数据，然后只输出%usr的数据。


~ vi mpstat.js

var child = require('child_process');
var mpstat = child.spawn('mpstat', ['1']);

//Linux 3.13.0-32-generic (ape3)  03/20/2015      _x86_64_        (4 CPU)
//11:27:12 AM  CPU    %usr   %nice    %sys %iowait    %irq   %soft  %steal  %guest  %gnice   %idle
//11:27:13 AM  all   96.50    0.00    3.50    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00

var line = 0;
var cols = ["time","day","CPU","%usr","%nice","%sys","%iowait","%irq","%soft","%steal","%guest","%gnice","%idle"];
mpstat.stdout.on('data', function (data) {
    var str = data.toString();
    if(line > 2) {
        var arr = str.split(/\s+/);
        console.log(arr[0]+" "+cols[3]+" "+arr[3]);
    }else{
       line++;
    }
});
mpstat.stderr.on('data', function (data) {
    console.log('stderr: ' + data);
});
mpstat.on('exit', function (code) {
    console.log('child process exited with code ' + code);
});

运行程序：


~ node mpstat.js
11:47:57 %usr 96.75
11:47:58 %usr 96.52
11:47:59 %usr 96.75
11:48:00 %usr 96.25
11:48:01 %usr 96.74
11:48:02 %usr 96.51
11:48:03 %usr 96.74
11:48:04 %usr 96.51

这样就完成系统数据的采集，我们可以把采集到的数据存储到数据库中，通过websocket等协议直接输出的浏览器前端进行数据的展示。监控系统的例子，可以参考我之前写过的一篇文章：websocket服务器监控

2.2 exec函数

exec函数是对spawn的一种友好封装，增加Shell命令解析，可以直接嵌入复杂的命令，比如，管道用法 cat spawn.js exec.js | wc。

我先试用wc命令来统计一下当前目录的文件字数，分别对应3列为字节数、字数、行数。


~ wc *
   9   29  275 exec.js
  25   95  878 mpstat.js
  16   41  343 spawn.js
  50  165 1496 total

~ cat *.js | wc
     50     165    1496

接下来，我们使用exec函数，来使用Linux管道命令。


~ vi exec.js

var childProcess = require('child_process');

var ls = childProcess.exec('cat *.js | wc', function (error, stdout, stderr) {
   if (error) {
     console.log(error.stack);
     console.log('Error code: '+error.code);
   }
   console.log('Child Process STDOUT: '+stdout);
});

运行程序：


~ node exec.js
Child Process STDOUT:      50     165    1496

输出结果与Linux命令类似，而且用exec时，命令可以写成一个完整的字符串了，不用像spawn函数时分开写成多个参数数组的形式。最后通过一个callback函数来返回，更符合JavaScript的函数调用习惯，通常情况我们可以用exec来替换spawn的使用。

2.3 execFile函数

execFile函数会直接执行特定的程序，参数作为数组传入，不会被bash解释，因此具有较高的安全性。execFile与spawn的参数相似，也需要分别指定执行的命令和参数，但可以接受一个回调函数，与exec的回调函数相同。

我们看一个execFile函数的例子。


~ vi execFile.js

var childProcess = require('child_process');
var path = ".";
childProcess.execFile('/bin/ls', ['-l', path], function (err, result) {
    console.log(result)
});

运行程序


~ node execFile.js
total 16
-rw-r--r-- 1 root root 527 Mar 20 13:23 execFile.js
-rw-r--r-- 1 root root 275 Mar 20 13:11 exec.js
-rw-r--r-- 1 root root 878 Mar 20 11:53 mpstat.js
-rw-r--r-- 1 root root 343 Mar 20 11:11 spawn.js

那么，什么时候使用exec，什么时候使用execFile呢？

如果命令参数是由用户来输入的，对于exec函数来说是有安全性风险的，因为Shell会运行多行命令，比如’ls -l .;pwd，如逗号分隔，之后的命令也会被系统运行。但使用exeFile命令时，命令和参数分来，防止了参数注入的安全风险。

我们用程序测试一下。


~ vi execFile.js

// exec
var cmd = 'ls -l .;pwd'
var ls = childProcess.exec(cmd, function (error, stdout, stderr) {
   if (error) {
     console.log(error.stack);
     console.log('Error code: '+error.code);
   }
   console.log('Child Process STDOUT: '+stdout);
});

// execFile
var path = ".;pwd";
childProcess.execFile('/bin/ls', ['-l', path], function (err, result) {
    console.log(result)
});

运行程序


~  node execFile.js

{ [Error: Command failed: /bin/ls -l .;pwd
/bin/ls: cannot access .;pwd: No such file or directory
] killed: false, code: 2, signal: null, cmd: '/bin/ls -l .;pwd' }

Child Process STDOUT: total 16
-rw-r--r-- 1 root root 547 Mar 20 13:31 execFile.js
-rw-r--r-- 1 root root 275 Mar 20 13:11 exec.js
-rw-r--r-- 1 root root 878 Mar 20 11:53 mpstat.js
-rw-r--r-- 1 root root 343 Mar 20 11:11 spawn.js
/disk1/demo/nodejs-childprocess

从输出结果看到，exec函数被正常执行，而execFile函数，则提示参数错误。

2.4 fork

fork函数，用于在子进程中运行的模块，如 fork(‘./son.js’) 相当于 spawn(‘node’, [‘./son.js’]) 。与spawn方法不同的是，fork会在父进程与子进程之间，建立一个通信管道，用于进程之间的通信。

我们一个主进程和子进程通信的例子，主进程文件main.js和子进程文件son.js。

新建主进程文件。


~ main.js

var childProcess = require('child_process');
var n = childProcess.fork('./son.js');

n.on('message', function(m) {
  console.log('Main Listen: ', m);
});
n.send({ hello: 'son' });

新建子进程文件。


~ vi son.js

process.on('message', function(m) {
  console.log('Son Listen:', m);
});
process.send({ Hello: 'conan' });

运行程序：


~ node main.js
Main Listen:  { Hello: 'conan' }
Son Listen: { hello: 'son' }

通过main.js启动子进程son.js，通过process在两个进程之间传递数据。我们对系统进程进行检查，看看是否确实有两个进程。


~ ps -aux|grep node
root     22777  0.2  0.1 603240 13252 pts/3    Sl+  14:25   0:00 node main.js
root     22782  0.2  0.1 603540 13516 pts/3    Sl+  14:25   0:00 /usr/local/bin/node ./son.js

有2个node进程分别是node main.js和node ./son.js。

掌握了进程之间的通信，我们可以做的事情就比较多了，比如自己做一个Node.js多进程管理器，调度器之类。相对于Java的多线程管理或者进程调度来说，Node程序是如此简单明了的。我已经非常明显的感觉到了编程语言在进步！！

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1. child_process介绍

2. child_process的基本使用

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