高并发下的Node.js与负载均衡

新兴的Node.js已经吸引了很多开发人员的眼光，它提供给我们一个快速构建高性能的网络应用的平台。我也开始逐步投入node.js的怀抱，在学习和使用的过程中，遇到了一些问题，也有一些经验，我觉得有必要写出来，作为总结，也用作分享。

众所周知，node.js基于v8引擎，所以它本身并不支持多线程（有多线程的Module哦），那么为了充分利用server的Multi-core，就必须使用多进程的方式。那么进程之间如何负载均衡就会是一个关键所在。

多进程共享监听socket

Node.js与进程相关的模块有process，child_process，cluster，这其中cluster用于方便的创建共享端口的多进程模式（The cluster module allows you to easily create a network of processes that all share server ports）,这种模式使多个进程间共享一个监听状态的socket，并由系统将accept的connection分配给不同的子进程，而且实现起来也非常简单，cluster为你做了大部分事情，这里有一个test case：

var cluster = require('cluster');
var http = require('http');
var numCPUs = require('os').cpus().length;

if (cluster.isMaster) {
  // Fork workers.
  for (var i = 0; i < numCPUs; i++) {
    cluster.fork();
  }

  cluster.on('exit', function(worker, code, signal) {
    console.log('worker ' + worker.process.pid + ' died');
  });
} else {
  // Workers can share any TCP connection
  // In this case its a HTTP server
  http.createServer(function(req, res) {
    res.writeHead(200);
    res.end("hello world\n");
  }).listen(8000);
}

但是这种完全依赖于系统的负载均衡存在着一个重要缺陷：在linux和Solaris上，只要某个子进程的accept queue为空（通常为最后创建的那个子进程），系统就会将多个connetion分配到同一个子进程上，这会造成进程间负载极为不均衡。特别是在使用长连接的时候，单位时间内的new coming connection并不高，子进程的accept queue往往均为空，就会导致connection会不停的分配给同一个进程。所以这种负载均衡完全依赖于accept queue的空闲程度，只有在使用短连接，而且并发非常高的情况下，才能达到负载均衡，但是这个时候系统的load会非常高，系统也会变得不稳定起来。

Nginx是怎么做的?

如果你了解nginx，那么你可能第一时间会想到使用nginx的处理方式，nginx有一个master和多个worker进程，master进程监听端口，负责accept connection，并把accept 的socket发送给各worker进程，由worker进程接收数据并处理。linux下，nginx是使用socketpair建立master和worker进程间的通信，并使用sendmsg、recvmsg等api来传输命令和文件描述符的。那么node.js是否支持这种方案呢？

答案是肯定的，作出这个回答的依据在于node.js的child_process和cluster模块均有一个send方法：child.send(message, [sendHandle])

这个方法的第二个参数就是我们想要传递的socket，而且node.js文档上还给出了一个test case：

var normal = require('child_process').fork('child.js', ['normal']);
var special = require('child_process').fork('child.js', ['special']);
// Open up the server and send sockets to child
var server = require('net').createServer();
server.on('connection', function (socket) {
  // if this is a VIP
  if (socket.remoteAddress === '74.125.127.100') {
    special.send('socket', socket);
    return;
  }
  // just the usual dudes
  normal.send('socket', socket);
});
server.listen(1337);

child.js

process.on('message', function(m, socket) {
  if (m === 'socket') {
    socket.end('You were handled as a ' + process.argv[2] + ' person');
  }
});

简单，精炼！似乎是一个完美的解决方案。我们稍微加工一下，让他成为一个可以正常运行的http server:

master.js

var http = require('http'),
    numCPUs = require('os').cpus().length;
    cp = require('child_process'), 
    net = require('net');
var workers = [];
for (var i = 0; i < numCPUs; i++) {
    workers.push(cp.fork('app.js', ['normal']));
}

net.createServer(function(s) {
    s.pause();
    var worker = worker.shift();
    worker.send('c',s);
    workers.push(worker);
}).listen(80);

var http = require('http'),
    cp = require('child_process'),
    net = require('net');
var server = http.createServer(function(req,res){
    res.writeHead(200, {"Content-Type": "text/plain",         "Connection": "close"});
    res.end("hello, world");
});
console.log("webServer started on " + process.pid);
process.on("message", function(msg,socket) {
    process.nextTick(function(){
        if(msg == 'c' && socket) {
            socket.readable = socket.writable = true;
            socket.resume();
            server.connections++;
            socket.server = server;
            server.emit("connection", socket);
            socket.emit("connect");
        }
    });
});
                                        

我们在worker进程中创建了一个http server，但是这个http server并不监听，也不绑定端口，在收到master传输过来的socket时，调用server.emit("connection", socket);就可以触发server的connection事件了。看起来很不错，简单的测试之后可以正常工作，这个方案几近于完美。在经历过共享监听socket方案的失败后，我们把服务迁移到这种架构上来。

但是，我们遇到了问题。 我们发现master进程的cpu和内存在逐渐增长，并最终到达100%，或者node.js崩溃（Assertion `fd_to_send >= 0' failed），这令我很抓狂，百般无奈之下我们求助于node.js的开发人员，在github上报告了我们遇到的问题（Issue #4587）。就在当天晚上，node.js的开发人员indutny找到了问题所在，主要在于主进程在将socket发送给子进程之后，并没有销毁，而是保留在socketList中，这会导致socket在主进程中逐步累积，并最终达到上限。

indutny很快解决了这个问题，于第二天提交了这个commit，按照这个commit，indutny给send函数增加了第三个可选参数，修改后的send函数将变为：

child.send(message,[socket], [{ track: false, process: false }])

我们的master进程不需要track每个socket状态，所以我们将它设为false即可。到此，这个问题得到了完美的解决，希望这个改进可以随node.js的下一个版本一起发布。

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node.js官方于1月18日发布了0.9.7(Unstable)新版本，已经包含了此改进。