Node.js
NodeJS基础教程
流程管理
NodeJS可以感知和控制自身流程的运行环境和状态，也可以创建子流程并与其协同工作，这使得NodeJS可以把多个程序组合在一起共同完成某项工作，并在其中充当胶水和调度器的作用。本章除了介绍与之相关的NodeJS内置模块外，还会重点介绍典型的使用场景。
开门红
我们已经知道了NodeJS自带的fs模块比较基础，把一个目录里的所有文件和子目录都拷贝到另一个目录里需要写不少代码。另外我们也知道，终端下的cp命令比较好用，一条cp -r source/* target命令就能搞定目录拷贝。那我们首先看看如何使用NodeJS调用终端命令来简化目录拷贝，示例代码如下：
var child_process = require('child_process');
var util = require('util');
function copy(source, target, callback) {
child_process.exec(
util.format('cp -r %s/* %s', source, target), callback); }
copy('a', 'b', function (err) { // ... });
从以上代码中可以看到，子流程是异步运行的，通过回调函数返回执行结果。
API走马观花
我们先大致看看NodeJS提供了哪些和流程管理有关的API。这里并不逐一介绍每个API的使用方法，官方文档已经做得很好了。
Process
任何一个流程都有启动流程时使用的命令行参数，有标准输入标准输出，有运行权限，有运行环境和运行状态。在NodeJS中，可以通过process对象感知和控制NodeJS自身流程的方方面面。另外需要注意的是，process不是内置模块，而是一个全局对象，因此在任何地方都可以直接使用。
Child Process
使用child_process模块可以创建和控制子流程。该模块提供的API中最核心的是.spawn，其余API都是针对特定使用场景对它的进一步封装，算是一种语法糖。
Cluster
cluster模块是对child_process模块的进一步封装，专用于解决单流程NodeJS Web服务器无法充分利用多核CPU的问题。使用该模块可以简化多流程服务器程序的开发，让每个核上运行一个工作流程，并统一通过主流程监听端口和分发请求。
应用场景
和流程管理相关的API单独介绍起来比较枯燥，因此这里从一些典型的应用场景出发，分别介绍一些重要API的使用方法。
如何获取命令行参数
在NodeJS中可以通过process.argv获取命令行参数。但是比较意外的是，node执行程序路径和主模块文件路径固定占据了argv[0]和argv[1]两个位置，而第一个命令行参数从argv[2]开始。为了让argv使用起来更加自然，可以按照以下方式处理。
function main(argv) { // ... } main(process.argv.slice(2));
如何退出程序
通常一个程序做完所有事情后就正常退出了，这时程序的退出状态码为0。或者一个程序运行时发生了异常后就挂了，这时程序的退出状态码不等于0。如果我们在代码中捕获了某个异常，但是觉得程序不应该继续运行下去，需要立即退出，并且需要把退出状态码设置为指定数字，比如1，就可以按照以下方式：
try { // ... } catch (err) { // ... process.exit(1); }
如何控制输入输出
NodeJS程序的标准输入流（stdin）、一个标准输出流（stdout）、一个标准错误流（stderr）分别对应process.stdin、process.stdout和process.stderr，第一个是只读数据流，后边两个是只写数据流，对它们的操作按照对数据流的操作方式即可。例如，console.log可以按照以下方式实现。
function log() {
process.stdout.write(
util.format.apply(util, arguments) + '\n'); }
如何降权
在*nix系统下，我们知道需要使用root权限才能监听1024以下端口。但是一旦完成端口监听后，继续让程序运行在root权限下存在安全隐患，因此最好能把权限降下来。以下是这样一个例子。
http.createServer(callback).listen(80, function () {
var env = process.env,
uid = parseInt(env['SUDO_UID'] || process.getuid(), 10),
gid = parseInt(env['SUDO_GID'] || process.getgid(), 10);
process.setgid(gid);
process.setuid(uid);
});
上例中有几点需要注意：
-
如果是通过sudo获取root权限的，运行程序的用户的UID和GID保存在环境变量SUDO_UID和SUDO_GID里边。如果是通过chmod +s方式获取root权限的，运行程序的用户的UID和GID可直接通过process.getuid和process.getgid方法获取。
-
process.setuid和process.setgid方法只接受number类型的参数。
-
降权时必须先降GID再降UID，否则顺序反过来的话就没权限更改程序的GID了。
如何创建子流程
以下是一个创建NodeJS子流程的例子。
var child = child_process.spawn('node', [ 'xxx.js' ]);
child.stdout.on('data', function (data) {
console.log('stdout: ' + data); });
child.stderr.on('data', function (data) {
console.log('stderr: ' + data);
});
child.on('close', function (code) {
console.log('child process exited with code ' + code);
});
上例中使用了.spawn(exec, args, options)方法，该方法支持三个参数。第一个参数是执行文件路径，可以是执行文件的相对或绝对路径，也可以是根据PATH环境变量能找到的执行文件名。第二个参数中，数组中的每个成员都按顺序对应一个命令行参数。第三个参数可选，用于配置子流程的执行环境与行为。
另外，上例中虽然通过子流程对象的.stdout和.stderr访问子流程的输出，但通过options.stdio字段的不同配置，可以将子流程的输入输出重定向到任何数据流上，或者让子流程共享父流程的标准输入输出流，或者直接忽略子流程的输入输出。
流程间如何通讯
在*nix系统下，流程之间可以通过信号互相通信。以下是一个例子。
/* parent.js */
var child = child_process.spawn('node', [ 'child.js' ]);
child.kill('SIGTERM');
/* child.js */
process.on('SIGTERM', function () {
cleanUp();
process.exit(0); });
在上例中，父流程通过.kill方法向子流程发送SIGTERM信号，子流程监听process对象的SIGTERM事件响应信号。不要被.kill方法的名称迷惑了，该方法本质上是用来给流程发送信号的，流程收到信号后具体要做啥，完全取决于信号的种类和流程自身的代码。
另外，如果父子流程都是NodeJS流程，就可以通过IPC（流程间通讯）双向传递数据。以下是一个例子。
/* parent.js */
var child = child_process.spawn('node', [ 'child.js' ], {
stdio: [ 0, 1, 2, 'ipc' ] });
child.on('message', function (msg) {
console.log(msg); });
child.send({ hello: 'hello' });
/* child.js */
process.on('message', function (msg) {
msg.hello = msg.hello.toUpperCase();
process.send(msg); });
可以看到，父流程在创建子流程时，在options.stdio字段中通过ipc开启了一条IPC通道，之后就可以监听子流程对象的message事件接收来自子流程的消息，并通过.send方法给子流程发送消息。在子流程这边，可以在process对象上监听message事件接收来自父流程的消息，并通过.send方法向父流程发送消息。数据在传递过程中，会先在发送端使用JSON.stringify方法序列化，再在接收端使用JSON.parse方法反序列化。
如何守护子流程
守护流程一般用于监控工作流程的运行状态，在工作流程不正常退出时重启工作流程，保障工作流程不间断运行。以下是一种实现方式。
/* daemon.js */ function spawn(mainModule) {
var worker = child_process.spawn('node', [ mainModule ]);
worker.on('exit', function (code) {
if (code !== 0) {
spawn(mainModule); } }); }
spawn('worker.js');
可以看到，工作流程非正常退出时，守护流程立即重启工作流程。
小结
本章介绍了使用NodeJS管理流程时需要的API以及主要的应用场景，总结起来有以下几点：
-
使用process对象管理自身。
-
使用child_process模块创建和管理子流程。
异步编程
NodeJS最大的卖点——事件机制和异步IO，对开发者并不是透明的。开发者需要按异步方式编写代码才用得上这个卖点，而这一点也遭到了一些NodeJS反对者的抨击。但不管怎样，异步编程确实是NodeJS最大的特点，没有掌握异步编程就不能说是真正学会了NodeJS。本章将介绍与异步编程相关的各种知识。
回调
在代码中，异步编程的直接体现就是回调。异步编程依托于回调来实现，但不能说使用了回调后程序就异步化了。我们首先可以看看以下代码。
function heavyCompute(n, callback) {
var count = 0,
i, j;
for (i = n; i > 0; --i) {
for (j = n; j > 0; --j) {
count += 1;
}
}
callback(count); }
heavyCompute(10000, function (count) {
console.log(count); });
console.log('hello'); -- Console ------------------------------ 100000000 hello
可以看到，以上代码中的回调函数仍然先于后续代码执行。JS本身是单线程运行的，不可能在一段代码还未结束运行时去运行别的代码，因此也就不存在异步执行的概念。
但是，如果某个函数做的事情是创建一个别的线程或流程，并与JS主线程并行地做一些事情，并在事情做完后通知JS主线程，那情况又不一样了。我们接着看看以下代码。
setTimeout(function () {
console.log('world'); }, 1000);
console.log('hello'); -- Console ------------------------------ hello world
这次可以看到，回调函数后于后续代码执行了。如同上边所说，JS本身是单线程的，无法异步执行，因此我们可以认为setTimeout这类JS规范之外的由运行环境提供的特殊函数做的事情是创建一个平行线程后立即返回，让JS主流程可以接着执行后续代码，并在收到平行流程的通知后再执行回调函数。除了setTimeout、setInterval这些常见的，这类函数还包括NodeJS提供的诸如fs.readFile之类的异步API。
另外，我们仍然回到JS是单线程运行的这个事实上，这决定了JS在执行完一段代码之前无法执行包括回调函数在内的别的代码。也就是说，即使平行线程完成工作了，通知JS主线程执行回调函数了，回调函数也要等到JS主线程空闲时才能开始执行。以下就是这么一个例子。
function heavyCompute(n) {
var count = 0, i, j;
for (i = n; i > 0; --i) {
for (j = n; j > 0; --j) {
count += 1;
} } }
var t = new Date();
setTimeout(function () { console.log(new Date() - t); }, 1000);
heavyCompute(50000); -- Console ------------------------------ 8520
可以看到，本来应该在1秒后被调用的回调函数因为JS主线程忙于运行其它代码，实际执行时间被大幅延迟。
代码设计模式
异步编程有很多特有的代码设计模式，为了实现同样的功能，使用同步方式和异步方式编写的代码会有很大差异。以下分别介绍一些常见的模式。
函数返回值
使用一个函数的输出作为另一个函数的输入是很常见的需求，在同步方式下一般按以下方式编写代码：
var output = fn1(fn2('input')); // Do something.
而在异步方式下，由于函数执行结果不是通过返回值，而是通过回调函数传递，因此一般按以下方式编写代码：
fn2('input', function (output2) { fn1(output2, function (output1) { // Do something. }); });
可以看到，这种方式就是一个回调函数套一个回调函多，套得太多了很容易写出>形状的代码。
遍历数组
在遍历数组时，使用某个函数依次对数据成员做一些处理也是常见的需求。如果函数是同步执行的，一般就会写出以下代码：
var len = arr.length, i = 0; for (; i < len; ++i) { arr[i] = sync(arr[i]); } // All array items have processed.
如果函数是异步执行的，以上代码就无法保证循环结束后所有数组成员都处理完毕了。如果数组成员必须一个接一个串行处理，则一般按照以下方式编写异步代码：
(function next(i, len, callback) {
if (i < len) {
async(arr[i], function (value) {
arr[i] = value;
next(i + 1, len, callback);
});
} else {
callback();
} }(0, arr.length, function () { // All array items have processed. }));
可以看到，以上代码在异步函数执行一次并返回执行结果后才传入下一个数组成员并开始下一轮执行，直到所有数组成员处理完毕后，通过回调的方式触发后续代码的执行。
如果数组成员可以并行处理，但后续代码仍然需要所有数组成员处理完毕后才能执行的话，则异步代码会调整成以下形式：
(function (i, len, count, callback) {
for (; i < len; ++i) {
(function (i) {
async(arr[i], function (value) {
arr[i] = value;
if (++count === len) {
callback();
}
});
}(i));
} }(0, arr.length, 0, function () { // All array items have processed. }));
可以看到，与异步串行遍历的版本相比，以上代码并行处理所有数组成员，并通过计数器变量来判断什么时候所有数组成员都处理完毕了。
异常处理
JS自身提供的异常捕获和处理机制——try..catch..，只能用于同步执行的代码。以下是一个例子。
function sync(fn) {
return fn(); }
try { sync(null); // Do something.
} catch (err) { console.log('Error: %s', err.message); }
-- Console ------------------------------ Error: object is not a function
可以看到，异常会沿着代码执行路径一直冒泡，直到遇到第一个try语句时被捕获住。但由于异步函数会打断代码执行路径，异步函数执行过程中以及执行之后产生的异常冒泡到执行路径被打断的位置时，如果一直没有遇到try语句，就作为一个全局异常抛出。以下是一个例子。
function async(fn, callback) {
// Code execution path breaks here
. setTimeout(function () { callback(fn()); }, 0); }
try { async(null, function (data) {
// Do something.
}); } catch (err) {
console.log('Error: %s', err.message); }
-- Console ------------------------------ /home/user/test.js:4
callback(fn());
^ TypeError: object is not a function
at null._onTimeout (/home/user/test.js:4:13)
at Timer.listOnTimeout [as ontimeout] (timers.js:110:15)
因为代码执行路径被打断了，我们就需要在异常冒泡到断点之前用try语句把异常捕获住，并通过回调函数传递被捕获的异常。于是我们可以像下边这样改造上边的例子。
function async(fn, callback) {
// Code execution path breaks here.
setTimeout(function () {
try { callback(null, fn()); } catch (err) { callback(err); } }, 0); }
async(null, function (err, data) {
if (err) {
console.log('Error: %s', err.message);
} else { // Do something. } });
-- Console ------------------------------ Error: object is not a function
可以看到，异常再次被捕获住了。在NodeJS中，几乎所有异步API都按照以上方式设计，回调函数中第一个参数都是err。因此我们在编写自己的异步函数时，也可以按照这种方式来处理异常，与NodeJS的设计风格保持一致。
有了异常处理方式后，我们接着可以想一想一般我们是怎么写代码的。基本上，我们的代码都是做一些事情，然后调用一个函数，然后再做一些事情，然后再调用一个函数，如此循环。如果我们写的是同步代码，只需要在代码入口点写一个try语句就能捕获所有冒泡上来的异常，示例如下。
function main() {
// Do something. syncA();
// Do something. syncB();
// Do something. syncC(); }
try { main(); } catch (err) { // Deal with exception. }
但是，如果我们写的是异步代码，就只有呵呵了。由于每次异步函数调用都会打断代码执行路径，只能通过回调函数来传递异常，于是我们就需要在每个回调函数里判断是否有异常发生，于是只用三次异步函数调用，就会产生下边这种代码。
function main(callback) {
// Do something
. asyncA(function (err, data) {
if (err) { callback(err); } else {
// Do something
asyncB(function (err, data) {
if (err) { callback(err); } else {
// Do something
asyncC(function (err, data) {
if (err) {
callback(err);
} else {
// Do something
callback(null);
}
});
}
});
}
});
}
main(function (err) { if (err) { // Deal with exception. } });
可以看到，回调函数已经让代码变得复杂了，而异步方式下对异常的处理更加剧了代码的复杂度。如果NodeJS的最大卖点最后变成这个样子，那就没人愿意用NodeJS了，因此接下来会介绍NodeJS提供的一些解决方案。
域（Domain）
NodeJS提供了domain模块，可以简化异步代码的异常处理。在介绍该模块之前，我们需要首先理解“域”的概念。简单的讲，一个域就是一个JS运行环境，在一个运行环境中，如果一个异常没有被捕获，将作为一个全局异常被抛出。NodeJS通过process对象提供了捕获全局异常的方法，示例代码如下
process.on('uncaughtException', function (err) {
console.log('Error: %s', err.message); });
setTimeout(function (fn) { fn(); });
-- Console ------------------------------ Error: undefined is not a function
虽然全局异常有个地方可以捕获了，但是对于大多数异常，我们希望尽早捕获，并根据结果决定代码的执行路径。我们用以下HTTP服务器代码作为例子：
function async(request, callback) {
// Do something
. asyncA(request, function (err, data) {
if (err) { callback(err); } else {
// Do something
asyncB(request, function (err, data) {
if (err) { callback(err); } else {
// Do something
asyncC(request, function (err, data) {
if (err) { callback(err); } else {
// Do something callback(null, data);
}
});
}
});
}
});
}
http.createServer(function (request, response) {
async(request, function (err, data) {
if (err) {
response.writeHead(500);
response.end();
} else {
response.writeHead(200);
response.end(data);
} }); });
以上代码将请求对象交给异步函数处理后，再根据处理结果返回响应。这里采用了使用回调函数传递异常的方案，因此async函数内部如果再多几个异步函数调用的话，代码就变成上边这副鬼样子了。为了让代码好看点，我们可以在每处理一个请求时，使用domain模块创建一个子域（JS子运行环境）。在子域内运行的代码可以随意抛出异常，而这些异常可以通过子域对象的error事件统一捕获。于是以上代码可以做如下改造：
function async(request, callback) {
// Do something
. asyncA(request, function (data) {
// Do something
asyncB(request, function (data) {
// Do something
asyncC(request, function (data) {
// Do something
callback(data);
});
});
});
}
http.createServer(function (request, response) {
var d = domain.create();
d.on('error', function () {
response.writeHead(500);
response.end();
});
d.run(function () {
async(request, function (data) {
response.writeHead(200);
response.end(data); }); }); });
可以看到，我们使用.create方法创建了一个子域对象，并通过.run方法进入需要在子域中运行的代码的入口点。而位于子域中的异步函数回调函数由于不再需要捕获异常，代码一下子瘦身很多。
陷阱
无论是通过process对象的uncaughtException事件捕获到全局异常，还是通过子域对象的error事件捕获到了子域异常，在NodeJS官方文档里都强烈建议处理完异常后立即重启程序，而不是让程序继续运行。按照官方文档的说法，发生异常后的程序处于一个不确定的运行状态，如果不立即退出的话，程序可能会发生严重内存泄漏，也可能表现得很奇怪。
但这里需要澄清一些事实。JS本身的throw..try..catch异常处理机制并不会导致内存泄漏，也不会让程序的执行结果出乎意料，但NodeJS并不是存粹的JS。NodeJS里大量的API内部是用C/C++实现的，因此NodeJS程序的运行过程中，代码执行路径穿梭于JS引擎内部和外部，而JS的异常抛出机制可能会打断正常的代码执行流程，导致C/C++部分的代码表现异常，进而导致内存泄漏等问题。
因此，使用uncaughtException或domain捕获异常，代码执行路径里涉及到了C/C++部分的代码时，如果不能确定是否会导致内存泄漏等问题，最好在处理完异常后重启程序比较妥当。而使用try语句捕获异常时一般捕获到的都是JS本身的异常，不用担心上诉问题。
小结
本章介绍了JS异步编程相关的知识，总结起来有以下几点：
-
不掌握异步编程就不算学会NodeJS。
-
异步编程依托于回调来实现，而使用回调不一定就是异步编程。
-
异步编程下的函数间数据传递、数组遍历和异常处理与同步编程有很大差别。
-
使用domain模块简化异步代码的异常处理，并小心陷阱。