如何在 Node.js 中处理 CPU 密集型负载？

引言

Node.js 作为一个强大的运行时环境，依赖于 Chrome 的 V8 JavaScript 引擎。该平台由于其支持非阻塞功能的事件驱动架构，在处理 I/O 密集型操作方面尤其有效。当 Node.js 的单线程事件循环遇到扩展的同步操作时，将无法执行其他任务，从而减慢了其 CPU 密集型任务的处理速度。

语法

用于处理 Node.js 中 CPU 密集型进程的主要方法和模块允许

• 工作线程将工作分配给单独的线程。
• Node.js 提供集群作为将任务分配给不同进程的框架。
• 任务拆分通过任务分块的方法发生。
• 原生插件： 用 C/C++ 编写性能关键代码。

工作线程代表了标准的语法方法，可以这样编写

参数

Worker Threads

• Worker 类充当生成新工作进程线程的机制。
• isMainThread 中的布尔值决定了当前代码是否在主线程中执行。
• 工作线程使用 parentPort 与其主线程对应物进行通信任务。
• WorkerData 允许主线程将其信息传输到其关联的工作线程。

聚类

• cluster 模块允许 Node.js 启动各种 Node.js 执行进程。
• os.cpus()： 它返回可用的 CPU 核心数。

带输出的示例

示例 1：使用集群分发负载

以下是使用 cluster 模块将 CPU 密集型任务分发到多个进程的方法。

输出

Worker 12345 calculated Fibonacci(40): 102334155
Worker 12346 calculated Fibonacci(40): 102334155

示例 2：使用 setImmediate 进行任务分块

将大型任务分解为更小的块，以避免阻塞事件循环。

输出

Chunked Fibonacci Result: 4.346655768693743e+208

为什么 Node.js 在 CPU 密集型任务方面会遇到困难？

1. 单线程事件循环

单线程事件循环执行 Node.js 中的所有操作。该系统架构非常适合异步输入/输出任务，但在处理 CPU 密集型计算时会变慢。当长时间运行的计算处于活动状态时，事件循环会被停止，但这种情况会导致系统无响应和性能下降。

2. 非阻塞输入/输出

Node.js 在处理非阻塞 I/O 任务方面表现出最大的效率，因为这些活动可以被传输到系统资源和单独的服务端点。需要执行的 CPU 密集型操作需要主线程，因为阻塞事件循环使得该过程成为必需。

3. 多核系统利用率有限

Node.js 在默认的单线程环境中运行，因此限制了其利用多核 CPU 系统的能力。由于单线程阻止 Node.js 执行并行处理策略，CPU 密集型工作负载会遇到重大的性能限制。

优点

Node.js 中CPU 密集型负载的几个优点如下：

• 由于工作线程或进程并行执行 CPU 密集型操作，主线程保持未阻塞状态。
• 集群提供可扩展的性能，因为它允许您使用多个 CPU 核心来提高吞吐量。
• 由于任务分段技术，系统的事件循环通过处理其他请求继续运行。
• 通过原生插件，开发人员能够利用 C/C++ 实现来优化性能关键型应用程序。

用例

Node.js 中CPU 密集型负载的几个用例如下：

• 该系统需要处理能力来管理大型数据集以及高级计算序列。
• 涉及图像缩放和视频编码的任务要求属于图像/视频处理。
• 机器学习：运行大型模型的推理。
• 游戏服务器利用这些系统来处理游戏内的即时游戏规则和运动计算。
• 加密技术：加密/解密大量数据。

何时不应将 Node.js 用于 CPU 密集型任务？

Node.js 在 CPU 密集型工作负载方面表现良好，尽管需要正确的技术，但仍可能不是最适合的选项。尽管它有能力，但在此类条件下应替换 Node.js 解决方案的其他语言和平台

• 用户为中心的代码需要 C++、Rust 和 Go 等语言，因为它们提供了最高的计算速度。
• V8 引擎限制了 Node.js 工作线程的并行能力。提供本机多线程的语言将在执行期间提供最准确的并行性。
• 将大部分时间用于 CPU 密集型函数的应用程序应使用 Python（结合 NumPy 或 TensorFlow）或 Java 等语言替代方案。

结论

总之，通过正确的执行，处理 Node.js 应用程序中的 CPU 密集型任务虽然困难但可以实现。通过结合使用工作线程、集群任务分块和原生插件开发，我们的应用程序可以实现高性能的可扩展性。根据我们应用程序的需求选择最合适的 Node.js 技术，因为每种技术都提供独特的优势。

在监控资源消耗以防止阻塞事件循环的同时，必须执行代码分析和优化。通过适当的工具和技术，Node.js 成为现代应用程序开发的适应性软件选择，可以处理高需求的 workload。