前端不懂進(jìn)程通信？看完這篇就懂了

為什么前端要了解進(jìn)程通信：

前端領(lǐng)域已經(jīng)不是單純寫在瀏覽器里跑的頁面就可以了，還要會(huì) electron、nodejs 等，而這倆技術(shù)都需要掌握進(jìn)程通信。

nodejs 是 js 的一個(gè)運(yùn)行時(shí)，和瀏覽器不同，它擴(kuò)展了很多封裝操作系統(tǒng)能力的 api，其中就包括進(jìn)程、線程相關(guān) api，而學(xué)習(xí)進(jìn)程 api 就要學(xué)習(xí)進(jìn)程之間的通信機(jī)制。

electron 是基于 chromium 和 nodejs 的桌面端開發(fā)方案，它的架構(gòu)是一個(gè)主進(jìn)程，多個(gè)渲染進(jìn)程，這兩種進(jìn)程之間也需要通信，要學(xué)習(xí) electron 的進(jìn)程通信機(jī)制。

這篇文章我們就來深入了解一下進(jìn)程通信。

本文會(huì)講解以下知識(shí)點(diǎn)：

• 進(jìn)程是什么
• 本地進(jìn)程通信的四種方式
• ipc、lpc、rpc 都是什么
• electron 如何做進(jìn)程通信
• nodejs 的 child_process 和 cluster 如何做進(jìn)程通信

進(jìn)程

我們寫完的代碼要在操作系統(tǒng)之上跑，操作系統(tǒng)為了更好的利用硬件資源，支持了多個(gè)程序的并發(fā)和硬件資源的分配，分配的單位就是進(jìn)程，這個(gè)進(jìn)程就是程序的執(zhí)行過程。比如記錄程序執(zhí)行到哪一步了，申請(qǐng)了哪些硬件資源、占用了什么端口等。

進(jìn)程包括要執(zhí)行的代碼、代碼操作的數(shù)據(jù)，以及進(jìn)程控制塊 PCB（Processing Control Block），因?yàn)槌绦蚓褪谴a在數(shù)據(jù)集上的執(zhí)行過程，而執(zhí)行過程的狀態(tài)和申請(qǐng)的資源需要記錄在一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（PCB）里。所以進(jìn)程由代碼、數(shù)據(jù)、PCB 組成。

pcb 中記錄著 pid、執(zhí)行到的代碼地址、進(jìn)程的狀態(tài)（阻塞、運(yùn)行、就緒等）以及用于通信的信號(hào)量、管道、消息隊(duì)列等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

進(jìn)程從創(chuàng)建到代碼不斷的執(zhí)行，到申請(qǐng)硬件資源（內(nèi)存、硬盤文件、網(wǎng)絡(luò)等），中間還可能會(huì)阻塞，最終執(zhí)行完會(huì)銷毀進(jìn)程。這是一個(gè)進(jìn)程的生命周期。

進(jìn)程對(duì)申請(qǐng)來的資源是獨(dú)占式的，每個(gè)進(jìn)程都只能訪問自己的資源，那進(jìn)程之間怎么通信呢？

進(jìn)程通信

不同進(jìn)程之間因?yàn)榭捎玫膬?nèi)存不同，所以要通過一個(gè)中間介質(zhì)通信。

信號(hào)量

如果是簡單的標(biāo)記，通過一個(gè)數(shù)字來表示，放在 PCB 的一個(gè)屬性里，這叫做信號(hào)量，比如鎖的實(shí)現(xiàn)就可以通過信號(hào)量。

這種信號(hào)量的思想我們寫前端代碼也經(jīng)常用，比如實(shí)現(xiàn)節(jié)流的時(shí)候，也要加一個(gè)標(biāo)記變量。

管道

但是信號(hào)量不能傳遞具體的數(shù)據(jù)啊，傳遞具體數(shù)據(jù)還得用別的方式。比如我們可以通過讀寫文件的方式來通信，這就是管道，如果是在內(nèi)存中的文件，叫做匿名管道，沒有文件名，如果是真實(shí)的硬盤的文件，是有文件名的，叫做命名管道。

文件需要先打開，然后再讀和寫，之后再關(guān)閉，這也是管道的特點(diǎn)。管道是基于文件的思想封裝的，之所以叫管道，是因?yàn)橹荒芤粋€(gè)進(jìn)程讀、一個(gè)進(jìn)程寫，是單向的（半雙工）。而且還需要目標(biāo)進(jìn)程同步的消費(fèi)數(shù)據(jù)，不然就會(huì)阻塞住。

這種管道的方式實(shí)現(xiàn)起來很簡單，就是一個(gè)文件讀寫，但是只能用在兩個(gè)進(jìn)程之間通信，只能同步的通信。其實(shí)管道的同步通信也挺常見的，就是 stream 的 pipe 方法。

消息隊(duì)列

管道實(shí)現(xiàn)簡單，但是同步的通信比較受限制，那如果想做成異步通信呢？加個(gè)隊(duì)列做緩沖（buffer）不就行了，這就是消息隊(duì)列。

消息隊(duì)列也是兩個(gè)進(jìn)程之間的通信，但是不是基于文件那一套思路，雖然也是單向的，但是有了一定的異步性，可以放很多消息，之后一次性消費(fèi)。

共享內(nèi)存

管道、消息隊(duì)列都是兩個(gè)進(jìn)程之間的，如果多個(gè)進(jìn)程之間呢？

我們可以通過申請(qǐng)一段多進(jìn)程都可以操作的內(nèi)存，叫做共享內(nèi)存，用這種方式來通信。各進(jìn)程都可以向該內(nèi)存讀寫數(shù)據(jù)，效率比較高。

共享內(nèi)存雖然效率高、也能用于多個(gè)進(jìn)程的通信，但也不全是好處，因?yàn)槎鄠€(gè)進(jìn)程都可以讀寫，那么就很容易亂，要自己控制順序，比如通過進(jìn)程的信號(hào)量（標(biāo)記變量）來控制。

共享內(nèi)存適用于多個(gè)進(jìn)程之間的通信，不需要通過中間介質(zhì)，所以效率更高，但是使用起來也更復(fù)雜。

上面說的這些幾乎就是本地進(jìn)程通信的全部方式了，為什么要加個(gè)本地呢？

ipc、rpc、lpc

進(jìn)程通信就是 ipc（Inter-Process Communication），兩個(gè)進(jìn)程可能是一臺(tái)計(jì)算機(jī)的，也可能網(wǎng)絡(luò)上的不同計(jì)算機(jī)的進(jìn)程，所以進(jìn)程通信方式分為兩種：

本地過程調(diào)用 LPC（local procedure call）、遠(yuǎn)程過程調(diào)用 RPC（remote procedure call）。

本地過程調(diào)用就是我們上面說的信號(hào)量、管道、消息隊(duì)列、共享內(nèi)存的通信方式，但是如果是網(wǎng)絡(luò)上的，那就要通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來通信了，這個(gè)其實(shí)我們用的比較多，比如 http、websocket。

所以，當(dāng)有人提到 ipc 時(shí)就是在說進(jìn)程通信，可以分為本地的和遠(yuǎn)程的兩種來討論。

遠(yuǎn)程的都是基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議封裝的，而本地的都是基于信號(hào)量、管道、消息隊(duì)列、共享內(nèi)存封裝出來的，比如我們接下來要探討的 electron 和 nodejs。

electron 進(jìn)程通信

electron 會(huì)先啟動(dòng)主進(jìn)程，然后通過 BrowserWindow 創(chuàng)建渲染進(jìn)程，加載 html 頁面實(shí)現(xiàn)渲染。這兩個(gè)進(jìn)程之間的通信是通過 electron 提供的 ipc 的 api。

ipcMain、ipcRenderer

主進(jìn)程里面通過 ipcMain 的 on 方法監(jiān)聽事件

import { ipcMain } from 'electron';

ipcMain.on('異步事件', (event, arg) => {
  event.sender.send('異步事件返回', 'yyy');
})

渲染進(jìn)程里面通過 ipcRenderer 的 on 方法監(jiān)聽事件，通過 send 發(fā)送消息

import { ipcRenderer } from 'electron';

ipcRender.on('異步事件返回', function (event, arg) {
  const message = `異步消息: ${arg}`
})

ipcRenderer.send('異步事件', 'xxx')

api 使用比較簡單，這是經(jīng)過 c++ 層的封裝，然后暴露給 js 的事件形式的 api。

我們可以想一下它是基于哪種機(jī)制實(shí)現(xiàn)的呢？

很明顯有一定的異步性，而且是父子進(jìn)程之間的通信，所以是消息隊(duì)列的方式實(shí)現(xiàn)的。

remote

除了事件形式的 api 外，electron 還提供了遠(yuǎn)程方法調(diào)用 rmi （remote method invoke）形式的 api。

其實(shí)就是對(duì)消息的進(jìn)一步封裝，也就是根據(jù)傳遞的消息，調(diào)用不同的方法，形式上就像調(diào)用本進(jìn)程的方法一樣，但其實(shí)是發(fā)消息到另一個(gè)進(jìn)程來做的，和 ipcMain、ipcRenderer 的形式本質(zhì)上一樣。

比如在渲染進(jìn)程里面，通過 remote 來直接調(diào)用主進(jìn)程才有的 BrowserWindow 的 api。

const { BrowserWindow } = require('electron').remote;

let win = new BrowserWindow({ width: 800, height: 600 });
win.loadURL('https://github.com');

小結(jié)一下，electron 的父子進(jìn)程通信方式是基于消息隊(duì)列封裝的，封裝形式有兩種，一種是事件的方式，通過 ipcMain、ipcRenderer 的 api 使用，另一種則是進(jìn)一步封裝成了不同方法的調(diào)用（rmi），底層也是基于消息，執(zhí)行遠(yuǎn)程方法但是看上去像執(zhí)行本地方法一樣。

nodejs

nodejs 提供了創(chuàng)建進(jìn)程的 api，有兩個(gè)模塊：child_process 和 cluster。很明顯，一個(gè)是用于父子進(jìn)程的創(chuàng)建和通信，一個(gè)是用于多個(gè)進(jìn)程。

child_process

child_process 提供了 spawn、exec、execFile、fork 的 api，分別用于不同的進(jìn)程的創(chuàng)建：

spawn、exec

如果想通過 shell 執(zhí)行命令，那就用 spawn 或者 exec。因?yàn)橐话銏?zhí)行命令是需要返回值的，這倆 api 在返回值的方式上有所不同。

spawn 返回的是 stream，通過 data 事件來取，exec 進(jìn)一步分裝成了 buffer，使用起來簡單一些，但是可能會(huì)超過 maxBuffer。

const { spawn } = require('child_process'); 

var app = spawn('node','main.js' {env:{}});

app.stderr.on('data',function(data) {
  console.log('Error:',data);
});

app.stdout.on('data',function(data) {
  console.log(data);
});

其實(shí) exec 是基于 spwan 封裝出來的，簡單場景可以用，有的時(shí)候要設(shè)置下 maxBuffer。

const { exec } = require('child_process'); 

exec('find . -type f', { maxBuffer: 1024*1024 }(err, stdout, stderr) => { 
    if (err) { 
        console.error(`exec error: ${err}`); return; 
    }   
    console.log(stdout); 
});

execFile

除了執(zhí)行命令外，如果要執(zhí)行可執(zhí)行文件就用 execFile 的 api：

const { execFile } = require('child_process'); 

const child = execFile('node', ['--version'], (error, stdout, stderr) => { 
    if (error) { throw error; } 
    console.log(stdout); 
});

fork

還有如果是想執(zhí)行 js ，那就用 fork：

const { fork } = require('child_process'); 

const xxxProcess = fork('./xxx.js'); 
xxxProcess.send('111111'); 
xxxProcess.on('message', sum => { 
    res.end('22222'); 
});

小結(jié)

簡單小結(jié)一下 child_process 的 4 個(gè) api：

如果想執(zhí)行 shell 命令，用 spawn 和 exec，spawn 返回一個(gè) stream，而 exec 進(jìn)一步封裝成了 buffer。除了 exec 有的時(shí)候需要設(shè)置下 maxBuffer，其他沒區(qū)別。

如果想執(zhí)行可執(zhí)行文件，用 execFile。

如果想執(zhí)行 js 文件，用 fork。

child_process 的進(jìn)程通信

說完了 api 我們來說下 child_process 創(chuàng)建的子進(jìn)程怎么和父進(jìn)程通信，也就是怎么做 ipc。

pipe

首先，支持了 pipe，很明顯是通過管道的機(jī)制封裝出來的，能同步的傳輸流的數(shù)據(jù)。

const { spawn } = require('child_process'); 

const find = spawn('cat', ['./aaa.js']);
const wc = spawn('wc', ['-l']);  find.stdout.pipe(wc.stdin);

比如上面通過管道把一個(gè)進(jìn)程的輸出流傳輸?shù)搅肆硪粋€(gè)進(jìn)程的輸入流，和下面的 shell 命令效果一樣：

cat ./aaa.js | wc -l

message

spawn 支持 stdio 參數(shù)，可以設(shè)置和父進(jìn)程的 stdin、stdout、stderr 的關(guān)系，比如指定 pipe 或者 null。還有第四個(gè)參數(shù)，可以設(shè)置 ipc，這時(shí)候就是通過事件的方式傳遞消息了，很明顯，是基于消息隊(duì)列實(shí)現(xiàn)的。

const { spawn } = require('child_process');

const child = spawn('node', ['./child.js'], {
    stdio: ['pipe', 'pipe', 'pipe', 'ipc'] 
}); 
child.on('message', (m) => { 
    console.log(m); 
}); 
child.send('xxxx');

而 fork 的 api 創(chuàng)建的子進(jìn)程自帶了 ipc 的傳遞消息機(jī)制，可以直接用。

const { fork } = require('child_process'); 

const xxxProcess = fork('./xxx.js'); 
xxxProcess.send('111111'); 
xxxProcess.on('message', sum => { 
    res.end('22222'); 
});

cluster

cluster 不再是父子進(jìn)程了，而是更多進(jìn)程，也提供了 fork 的 api。

比如 http server 會(huì)根據(jù) cpu 數(shù)啟動(dòng)多個(gè)進(jìn)程來處理請(qǐng)求。

import cluster from 'cluster';
import http from 'http';
import { cpus } from 'os';
import process from 'process';

const numCPUs = cpus().length;

if (cluster.isPrimary) {
  for (let i = 0; i < numCPUs; i++) {
    cluster.fork();
  }
} else {
  const server = http.createServer((req, res) => {
    res.writeHead(200);
    res.end('hello world\n');
  })
  
  server.listen(8000);
  
  process.on('message', (msg) => {
    if (msg === 'shutdown') {
       server.close();
    }
  });
}

它同樣支持了事件形式的 api，用于多個(gè)進(jìn)程之間的消息傳遞，因?yàn)槎鄠€(gè)進(jìn)程其實(shí)也只是多個(gè)父子進(jìn)程的通信，子進(jìn)程之間不能直接通信，所以還是基于消息隊(duì)列實(shí)現(xiàn)的。

共享內(nèi)存

子進(jìn)程之間通信還得通過父進(jìn)程中轉(zhuǎn)一次，要多次讀寫消息隊(duì)列，效率太低了，就不能直接共享內(nèi)存么？

現(xiàn)在 nodejs 還是不支持的，可以通過第三方的包 shm-typed-array 來實(shí)現(xiàn)，感興趣可以看一下。

https://www.npmjs.com/package/shm-typed-array

總結(jié)

進(jìn)程包括代碼、數(shù)據(jù)和 PCB，是程序的一次執(zhí)行的過程，PCB 記錄著各種執(zhí)行過程中的信息，比如分配的資源、執(zhí)行到的地址、用于通信的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。

進(jìn)程之間需要通信，可以通過信號(hào)量、管道、消息隊(duì)列、共享內(nèi)存的方式。

• 信號(hào)量就是一個(gè)簡單的數(shù)字的標(biāo)記，不能傳遞具體數(shù)據(jù)。

• 管道是基于文件的思想，一個(gè)進(jìn)程寫另一個(gè)進(jìn)程讀，是同步的，適用于兩個(gè)進(jìn)程。

• 消息隊(duì)列有一定的 buffer，可以異步處理消息，適用于兩個(gè)進(jìn)程。

• 共享內(nèi)存是多個(gè)進(jìn)程直接操作同一段內(nèi)存，適用于多個(gè)進(jìn)程，但是需要控制訪問順序。

這四種是本地進(jìn)程的通信方式，而網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程則基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的方式也可以做進(jìn)程通信。

進(jìn)程通信叫做 ipc，本地的叫做 lpc，遠(yuǎn)程的叫 rpc。

其中，如果把消息再封裝一層成具體的方法調(diào)用，叫做 rmi，效果就像在本進(jìn)程執(zhí)行執(zhí)行另一個(gè)進(jìn)程的方法一樣。

electron 和 nodejs 都是基于上面的操作系統(tǒng)機(jī)制的封裝：

• elctron 支持 ipcMain 和 ipcRenderer 的消息傳遞的方式，還支持了 remote 的 rmi 的方式。

• nodejs 有 child_process 和 cluster 兩個(gè)模塊和進(jìn)程有關(guān)，child_process 是父子進(jìn)程之間，cluster 是多個(gè)進(jìn)程：

• child_process 提供了用于執(zhí)行 shell 命令的 spawn、exec，用于執(zhí)行可執(zhí)行文件的 execFile，用于執(zhí)行 js 的 fork。提供了 pipe 和 message 兩種 ipc 方式。

• cluster 也提供了 fork，提供了 message 的方式的通信。

當(dāng)然，不管封裝形式是什么，都離不開操作系統(tǒng)提供的信號(hào)量、管道、消息隊(duì)列、共享內(nèi)存這四種機(jī)制。

ipc 是開發(fā)中頻繁遇到的需求，希望這篇文章能夠幫大家梳理清楚從操作系統(tǒng)層到不同語言和運(yùn)行時(shí)的封裝層次的脈絡(luò)。