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日常工作中，对 Node.js 的使用都比较粗浅，趁未羊之际，来学点稍微高级的，那就先从 cluster 开始吧。
尼古拉斯张三说过，“带着问题去学习是一个比较好的方法”，所以我们也来试一试。
当初使用 cluster 时，一直好奇它是怎么做到多个子进程监听同一个端口而不冲突的，比如下面这段代码：
const cluster = require('cluster') const net = require('net') const cpus = require('os').cpus() if (cluster.isPrimary) { for (let i = 0; i < cpus.length; i++) { cluster.fork() } } else { net .createServer(function (socket) { socket.on('data', function (data) { socket.write(`Reply from ${process.pid}: ` + data.toString()) }) socket.on('end', function () { console.log('Close') }) socket.write('Hello!n') }) .listen(9999) }
该段代码通过父进程 fork 出了多个子进程，且这些子进程都监听了 9999 这个端口并能正常提供服务，这是如何做到的呢？我们来研究一下。【相关教程推荐：nodejs视频教程、编程教学】
准备调试环境
学习 Node.js 官方提供库最好的方式当然是调试一下，所以，我们先来准备一下环境。注：本文的操作系统为 macOS Big Sur 11.6.6，其他系统请自行准备相应环境。
编译 Node.js
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下载 Node.js 源码
git clone https://github.com/nodejs/node.git
然后在下面这两个地方加入断点，方便后面调试用：
// lib/internal/cluster/primary.js function queryServer(worker, message) { debugger; // Stop processing if worker already disconnecting if (worker.exitedAfterDisconnect) return; ... }
// lib/internal/cluster/child.js send(message, (reply, handle) => { debugger if (typeof obj._setServerData === 'function') obj._setServerData(reply.data) if (handle) { // Shared listen socket shared(reply, {handle, indexesKey, index}, cb) } else { // Round-robin. rr(reply, {indexesKey, index}, cb) } })
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进入目录，执行
./configure --debug make -j4
之后会生成 out/Debug/node
准备 IDE 环境
使用 vscode 调试，配置好 launch.json 就可以了（其他 IDE 类似，请自行解决）：
{ "version": "0.2.0", "configurations": [ { "name": "Debug C++", "type": "cppdbg", "program": "/Users/youxingzhi/ayou/node/out/Debug/node", "request": "launch", "args": ["/Users/youxingzhi/ayou/node/index.js"], "stopAtEntry": false, "cwd": "${workspaceFolder}", "environment": [], "externalConsole": false, "MIMode": "lldb" }, { "name": "Debug Node", "type": "node", "runtimeExecutable": "/Users/youxingzhi/ayou/node/out/Debug/node", "request": "launch", "args": ["--expose-internals", "--nolazy"], "skipFiles": [], "program": "${workspaceFolder}/index.js" } ] }
其中第一个是用于调式 C++ 代码（需要安装 C/C++ 插件），第二个用于调式 JS 代码。接下来就可以开始调试了，我们暂时用调式 JS 代码的那个配置就好了。
Cluster 源码调试
准备好调试代码（为了调试而已，这里启动一个子进程就够了）：
debugger const cluster = require('cluster') const net = require('net') if (cluster.isPrimary) { debugger cluster.fork() } else { const server = net.createServer(function (socket) { socket.on('data', function (data) { socket.write(`Reply from ${process.pid}: ` + data.toString()) }) socket.on('end', function () { console.log('Close') }) socket.write('Hello!n') }) debugger server.listen(9999) }
很明显，我们的程序可以分父进程和子进程这两部分来进行分析。
首先进入的是父进程：
执行 require('cluster') 时，会进入 lib/cluster.js 这个文件：
const childOrPrimary = 'NODE_UNIQUE_ID' in process.env ? 'child' : 'primary' module.exports = require(`internal/cluster/${childOrPrimary}`)
会根据当前 process.env 上是否有 NODE_UNIQUE_ID 来引入不同的模块，此时是没有的，所以会引入 internal/cluster/primary.js 这个模块：
... const cluster = new EventEmitter(); ... module.exports = cluster const handles = new SafeMap() cluster.isWorker = false cluster.isMaster = true // Deprecated alias. Must be same as isPrimary. cluster.isPrimary = true cluster.Worker = Worker cluster.workers = {} cluster.settings = {} cluster.SCHED_NONE = SCHED_NONE // Leave it to the operating system. cluster.SCHED_RR = SCHED_RR // Primary distributes connections. ... cluster.schedulingPolicy = schedulingPolicy cluster.setupPrimary = function (options) { ... } // Deprecated alias must be same as setupPrimary cluster.setupMaster = cluster.setupPrimary function setupSettingsNT(settings) { ... } function createWorkerProcess(id, env) { ... } function removeWorker(worker) { ... } function removeHandlesForWorker(worker) { ... } cluster.fork = function (env) { ... }
该模块主要是在 cluster 对象上挂载了一些属性和方法，并导出，这些后面回过头再看，我们继续往下调试。往下调试会进入 if (cluster.isPrimary) 分支，代码很简单，仅仅是 fork 出了一个新的子进程而已：
// lib/internal/cluster/primary.js cluster.fork = function (env) { cluster.setupPrimary() const id = ++ids const workerProcess = createWorkerProcess(id, env) const worker = new Worker({ id: id, process: workerProcess, }) ... worker.process.on('internalMessage', internal(worker, onmessage)) process.nextTick(emitForkNT, worker) cluster.workers[worker.id] = worker return worker }
cluster.setupPrimary()：比较简单，初始化一些参数啥的。
createWorkerProcess(id, env)：
// lib/internal/cluster/primary.js function createWorkerProcess(id, env) { const workerEnv = {...process.env, ...env, NODE_UNIQUE_ID: `${id}`} const execArgv = [...cluster.settings.execArgv] ... return fork(cluster.settings.exec, cluster.settings.args, { cwd: cluster.settings.cwd, env: workerEnv, serialization: cluster.settings.serialization, silent: cluster.settings.silent, windowsHide: cluster.settings.windowsHide, execArgv: execArgv, stdio: cluster.settings.stdio, gid: cluster.settings.gid, uid: cluster.settings.uid, }) }
可以看到，该方法主要是通过 fork 启动了一个子进程来执行我们的 index.js，且启动子进程的时候设置了环境变量 NODE_UNIQUE_ID，这样 index.js 中 require('cluster') 的时候，引入的就是 internal/cluster/child.js 模块了。
worker.process.on('internalMessage', internal(worker, onmessage))：监听子进程传递过来的消息并处理。
接下来就进入了子进程的逻辑：
前面说了，此时引入的是 internal/cluster/child.js 模块，我们先跳过，继续往下，执行 server.listen(9999) 时实际上是调用了 Server 上的方法：
// lib/net.js Server.prototype.listen = function (...args) { ... listenInCluster( this, null, options.port | 0, 4, backlog, undefined, options.exclusive ); }
可以看到，最终是调用了 listenInCluster：
// lib/net.js function listenInCluster( server, address, port, addressType, backlog, fd, exclusive, flags, options ) { exclusive = !!exclusive if (cluster === undefined) cluster = require('cluster') if (cluster.isPrimary || exclusive) { // Will create a new handle // _listen2 sets up the listened handle, it is still named like this // to avoid breaking code that wraps this method server._listen2(address, port, addressType, backlog, fd, flags) return } const serverQuery = { address: address, port: port, addressType: addressType, fd: fd, flags, backlog, ...options, } // Get the primary's server handle, and listen on it cluster._getServer(server, serverQuery, listenOnPrimaryHandle) function listenOnPrimaryHandle(err, handle) { err = checkBindError(err, port, handle) if (err) { const ex = exceptionWithHostPort(err, 'bind', address, port) return server.emit('error', ex) } // Reuse primary's server handle server._handle = handle // _listen2 sets up the listened handle, it is still named like this // to avoid breaking code that wraps this method server._listen2(address, port, addressType, backlog, fd, flags) } }
由于是在子进程中执行，所以最后会调用 cluster._getServer(server, serverQuery, listenOnPrimaryHandle)：
// lib/internal/cluster/child.js // 这里的 cb 就是上面的 listenOnPrimaryHandle cluster._getServer = function (obj, options, cb) { ... send(message, (reply, handle) => { debugger if (typeof obj._setServerData === 'function') obj._setServerData(reply.data) if (handle) { // Shared listen socket shared(reply, {handle, indexesKey, index}, cb) } else { // Round-robin. rr(reply, {indexesKey, index}, cb) } }) ... }
该函数最终会向父进程发送 queryServer 的消息，父进程处理完后会调用回调函数，回调函数中会调用 cb 即 listenOnPrimaryHandle。看来，listen 的逻辑是在父进程中进行的了。
接下来进入父进程：
父进程收到 queryServer 的消息后，最终会调用 queryServer 这个方法：
// lib/internal/cluster/primary.js function queryServer(worker, message) { // Stop processing if worker already disconnecting if (worker.exitedAfterDisconnect) return const key = `${message.address}:${message.port}:${message.addressType}:` + `${message.fd}:${message.index}` let handle = handles.get(key) if (handle === undefined) { let address = message.address // Find shortest path for unix sockets because of the ~100 byte limit if ( message.port < 0 && typeof address === 'string' && process.platform !== 'win32' ) { address = path.relative(process.cwd(), address) if (message.address.length < address.length) address = message.address } // UDP is exempt from round-robin connection balancing for what should // be obvious reasons: it's connectionless. There is nothing to send to // the workers except raw datagrams and that's pointless. if ( schedulingPolicy !== SCHED_RR || message.addressType === 'udp4' || message.addressType === 'udp6' ) { handle = new SharedHandle(key, address, message) } else { handle = new RoundRobinHandle(key, address, message) } handles.set(key, handle) } ... }
可以看到，这里主要是对 handle 的处理，这里的 handle 指的是调度策略，分为 SharedHandle 和 RoundRobinHandle，分别对应抢占式和轮询两种策略（文章最后补充部分有关于两者对比的例子）。
Node.js 中默认是 RoundRobinHandle 策略，可通过环境变量 NODE_CLUSTER_SCHED_POLICY 来修改，取值可以为 none（SharedHandle） 或 rr（RoundRobinHandle）。
SharedHandle
首先，我们来看一下 SharedHandle，由于我们这里是 TCP 协议，所以最后会通过 net._createServerHandle 创建一个 TCP 对象挂载在 handle 属性上（注意这里又有一个 handle，别搞混了）：
// lib/internal/cluster/shared_handle.js function SharedHandle(key, address, {port, addressType, fd, flags}) { this.key = key this.workers = new SafeMap() this.handle = null this.errno = 0 let rval if (addressType === 'udp4' || addressType === 'udp6') rval = dgram._createSocketHandle(address, port, addressType, fd, flags) else rval = net._createServerHandle(address, port, addressType, fd, flags) if (typeof rval === 'number') this.errno = rval else this.handle = rval }
在 createServerHandle 中除了创建 TCP 对象外，还绑定了端口和地址：
// lib/net.js function createServerHandle(address, port, addressType, fd, flags) { ... } else { handle = new TCP(TCPConstants.SERVER); isTCP = true; } if (address || port || isTCP) { ... err = handle.bind6(address, port, flags); } else { err = handle.bind(address, port); } } ... return handle; }
然后，queryServer 中继续执行，会调用 add 方法，最终会将 handle 也就是 TCP 对象传递给子进程：
// lib/internal/cluster/primary.js function queryServer(worker, message) { ... if (!handle.data) handle.data = message.data // Set custom server data handle.add(worker, (errno, reply, handle) => { const {data} = handles.get(key) if (errno) handles.delete(key) // Gives other workers a chance to retry. send( worker, { errno, key, ack: message.seq, data, ...reply, }, handle // TCP 对象 ) }) ... }
之后进入子进程：
子进程收到父进程对于 queryServer 的回复后，会调用 shared：
// lib/internal/cluster/child.js // `obj` is a net#Server or a dgram#Socket object. cluster._getServer = function (obj, options, cb) { ... send(message, (reply, handle) => { if (typeof obj._setServerData === 'function') obj._setServerData(reply.data) if (handle) { // Shared listen socket shared(reply, {handle, indexesKey, index}, cb) } else { // Round-robin. rr(reply, {indexesKey, index}, cb) // cb 是 listenOnPrimaryHandle } }) ... }
shared 中最后会调用 cb 也就是 listenOnPrimaryHandle：
// lib/net.js function listenOnPrimaryHandle(err, handle) { err = checkBindError(err, port, handle) if (err) { const ex = exceptionWithHostPort(err, 'bind', address, port) return server.emit('error', ex) } // Reuse primary's server handle 这里的 server 是 index.js 中 net.createServer 返回的那个对象 server._handle = handle // _listen2 sets up the listened handle, it is still named like this // to avoid breaking code that wraps this method server._listen2(address, port, addressType, backlog, fd, flags) }
这里会把 handle 赋值给 server._handle，这里的 server 是 index.js 中 net.createServer 返回的那个对象，并调用 server._listen2，也就是 setupListenHandle：
// lib/net.js function setupListenHandle(address, port, addressType, backlog, fd, flags) { debug('setupListenHandle', address, port, addressType, backlog, fd) // If there is not yet a handle, we need to create one and bind. // In the case of a server sent via IPC, we don't need to do this. if (this._handle) { debug('setupListenHandle: have a handle already') } else { ... } this[async_id_symbol] = getNewAsyncId(this._handle) this._handle.onconnection = onconnection this._handle[owner_symbol] = this // Use a backlog of 512 entries. We pass 511 to the listen() call because // the kernel does: backlogsize = roundup_pow_of_two(backlogsize + 1); // which will thus give us a backlog of 512 entries. const err = this._handle.listen(backlog || 511) if (err) { const ex = uvExceptionWithHostPort(err, 'listen', address, port) this._handle.close() this._handle = null defaultTriggerAsyncIdScope( this[async_id_symbol], process.nextTick, emitErrorNT, this, ex ) return } }
首先会执行 this._handle.onconnection = onconnection，由于客户端请求过来时会调用 this._handle（也就是 TCP 对象）上的 onconnection 方法，也就是会执行lib/net.js 中的 onconnection 方法建立连接，之后就可以通信了。为了控制篇幅，该方法就不继续往下了。
然后调用 listen 监听，注意这里参数 backlog 跟之前不同，不是表示端口，而是表示在拒绝连接之前，操作系统可以挂起的最大连接数量，也就是连接请求的排队数量。我们平时遇到的 listen EADDRINUSE: address already in use 错误就是因为这行代码返回了非 0 的错误。
如果还有其他子进程，也会同样走一遍上述的步骤，不同之处是在主进程中 queryServer 时，由于已经有 handle 了，不需要再重新创建了：
function queryServer(worker, message) { debugger; // Stop processing if worker already disconnecting if (worker.exitedAfterDisconnect) return; const key = `${message.address}:${message.port}:${message.addressType}:` + `${message.fd}:${message.index}`; let handle = handles.get(key); ... }
以上内容整理成流程图如下：
所谓的 SharedHandle，其实是在多个子进程中共享 TCP 对象的句柄，当客户端请求过来时，多个进程会去竞争该请求的处理权，会导致任务分配不均的问题，这也是为什么需要 RoundRobinHandle 的原因。接下来继续看看这种调度方式。
RoundRobinHandle
// lib/internal/cluster/round_robin_handle.js function RoundRobinHandle( key, address, {port, fd, flags, backlog, readableAll, writableAll} ) { ... this.server = net.createServer(assert.fail) ... else if (port >= 0) { this.server.listen({ port, host: address, // Currently, net module only supports `ipv6Only` option in `flags`. ipv6Only: Boolean(flags & constants.UV_TCP_IPV6ONLY), backlog, }) } ... this.server.once('listening', () => { this.handle = this.server._handle this.handle.onconnection = (err, handle) => { this.distribute(err, handle) } this.server._handle = null this.server = null }) }
如上所示，RoundRobinHandle 会调用 net.createServer() 创建一个 server，然后调用 listen 方法，最终会来到 setupListenHandle：
// lib/net.js function setupListenHandle(address, port, addressType, backlog, fd, flags) { debug('setupListenHandle', address, port, addressType, backlog, fd) // If there is not yet a handle, we need to create one and bind. // In the case of a server sent via IPC, we don't need to do this. if (this._handle) { debug('setupListenHandle: have a handle already') } else { debug('setupListenHandle: create a handle') let rval = null // Try to bind to the unspecified IPv6 address, see if IPv6 is available if (!address && typeof fd !== 'number') { rval = createServerHandle(DEFAULT_IPV6_ADDR, port, 6, fd, flags) if (typeof rval === 'number') { rval = null address = DEFAULT_IPV4_ADDR addressType = 4 } else { address = DEFAULT_IPV6_ADDR addressType = 6 } } if (rval === null) rval = createServerHandle(address, port, addressType, fd, flags) if (typeof rval === 'number') { const error = uvExceptionWithHostPort(rval, 'listen', address, port) process.nextTick(emitErrorNT, this, error) return } this._handle = rval } this[async_id_symbol] = getNewAsyncId(this._handle) this._handle.onconnection = onconnection this._handle[owner_symbol] = this ... }
且由于此时 this._handle 为空，会调用 createServerHandle() 生成一个 TCP 对象作为 _handle。之后就跟 SharedHandle 一样了，最后也会回到子进程：
// lib/internal/cluster/child.js // `obj` is a net#Server or a dgram#Socket object. cluster._getServer = function (obj, options, cb) { ... send(message, (reply, handle) => { if (typeof obj._setServerData === 'function') obj._setServerData(reply.data) if (handle) { // Shared listen socket shared(reply, {handle, indexesKey, index}, cb) } else { // Round-robin. rr(reply, {indexesKey, index}, cb) // cb 是 listenOnPrimaryHandle } }) ... }
不过由于 RoundRobinHandle 不会传递 handle 给子进程，所以此时会执行 rr：
function rr(message, {indexesKey, index}, cb) { ... // Faux handle. Mimics a TCPWrap with just enough fidelity to get away // with it. Fools net.Server into thinking that it's backed by a real // handle. Use a noop function for ref() and unref() because the control // channel is going to keep the worker alive anyway. const handle = {close, listen, ref: noop, unref: noop} if (message.sockname) { handle.getsockname = getsockname // TCP handles only. } assert(handles.has(key) === false) handles.set(key, handle) debugger cb(0, handle) }
可以看到，这里构造了一个假的 handle，然后执行 cb 也就是 listenOnPrimaryHandle。最终跟 SharedHandle 一样会调用 setupListenHandle 执行 this._handle.onconnection = onconnection。
RoundRobinHandle 逻辑到此就结束了，好像缺了点什么的样子。回顾下，我们给每个子进程中的 server 上都挂载了一个假的 handle，但它跟绑定了端口的 TCP 对象没有任何关系，如果客户端请求过来了，是不会执行它上面的 onconnection 方法的。之所以要这样写，估计是为了保持跟之前 SharedHandle 代码逻辑的统一。
此时，我们需要回到 RoundRobinHandle，有这样一段代码：
// lib/internal/cluster/round_robin_handle.js this.server.once('listening', () => { this.handle = this.server._handle this.handle.onconnection = (err, handle) => { this.distribute(err, handle) } this.server._handle = null this.server = null })
在 listen 执行完后，会触发 listening 事件的回调，这里重写了 handle 上面的 onconnection。
所以，当客户端请求过来时，会调用 distribute 在多个子进程中轮询分发，这里又有一个 handle，这里的 handle 姑且理解为 clientHandle，即客户端连接的 handle，别搞混了。总之，最后会将这个 clientHandle 发送给子进程：
// lib/internal/cluster/round_robin_handle.js RoundRobinHandle.prototype.handoff = function (worker) { ... const message = { act: 'newconn', key: this.key }; // 这里的 handle 是 clientHandle sendHelper(worker.process, message, handle, (reply) => { if (reply.accepted) handle.close(); else this.distribute(0, handle); // Worker is shutting down. Send to another. this.handoff(worker); }); };
而子进程在 require('cluster') 时，已经监听了该事件：
// lib/internal/cluster/child.js process.on('internalMessage', internal(worker, onmessage)) send({act: 'online'}) function onmessage(message, handle) { if (message.act === 'newconn') onconnection(message, handle) else if (message.act === 'disconnect') ReflectApply(_disconnect, worker, [true]) }
最终也同样会走到 net.js 中的 function onconnection(err, clientHandle) 方法。这个方法第二个参数名就叫 clientHandle，这也是为什么前面的 handle 我想叫这个名字的原因。
还是用图来总结下：
跟 SharedHandle 不同的是，该调度策略中 onconnection 最开始是在主进程中触发的，然后通过轮询算法挑选一个子进程，将 clientHandle 传递给它。
为什么端口不冲突
cluster 模块的调试就到此告一段落了，接下来我们来回答一下一开始的问题，为什么多个进程监听同一个端口没有报错？
网上有些文章说是因为设置了 SO_REUSEADDR，但其实跟这个没关系。通过上面的分析知道，不管什么调度策略，最终都只会在主进程中对 TCP 对象 bind 一次。
我们可以修改一下源代码来测试一下：
// deps/uv/src/unix/tcp.c 下面的 SO_REUSEADDR 改成 SO_DEBUG if (setsockopt(tcp->io_watcher.fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on)))
编译后执行发现，我们仍然可以正常使用 cluster 模块。
那这个 SO_REUSEADDR 到底影响的是啥呢？我们继续来研究一下。
SO_REUSEADDR
首先，我们我们知道，下面的代码是会报错的：
const net = require('net') const server1 = net.createServer() const server2 = net.createServer() server1.listen(9999) server2.listen(9999)
但是，如果我稍微修改一下，就不会报错了：
const net = require('net') const server1 = net.createServer() const server2 = net.createServer() server1.listen(9999, '127.0.0.1') server2.listen(9999, '10.53.48.67')
原因在于 listen 时，如果不指定 address，则相当于绑定了所有地址，当两个 server 都这样做时，请求到来就不知道要给谁处理了。
我们可以类比成找对象，port 是对外貌的要求，address 是对城市的要求。现在甲乙都想要一个 port 是 1米7以上 不限城市的对象，那如果有一个 1米7以上 来自 深圳 的对象，就不知道介绍给谁了。而如果两者都指定了城市就好办多了。
那如果一个指定了 address，一个没有呢？就像下面这样：
const net = require('net') const server1 = net.createServer() const server2 = net.createServer() server1.listen(9999, '127.0.0.1') server2.listen(9999)
结果是：设置了 SO_REUSEADDR 可以正常运行，而修改成 SO_DEBUG 的会报错。
还是上面的例子，甲对城市没有限制，乙需要是来自 深圳 的，那当一个对象来自 深圳，我们可以选择优先介绍给乙，非 深圳 的就选择介绍给甲，这个就是 SO_REUSEADDR 的作用。
补充
SharedHandle 和 RoundRobinHandle 两种模式的对比
先准备下测试代码：
// cluster.js const cluster = require('cluster') const net = require('net') if (cluster.isMaster) { for (let i = 0; i < 4; i++) { cluster.fork() } } else { const server = net.createServer() server.on('connection', (socket) => { console.log(`PID: ${process.pid}!`) }) server.listen(9997) }
// client.js const net = require('net') for (let i = 0; i < 20; i++) { net.connect({port: 9997}) }
RoundRobin先执行 node cluster.js，然后执行 node client.js，会看到如下输出，可以看到没有任何一个进程的 PID 是紧挨着的。至于为什么没有一直按照一样的顺序，后面再研究一下。
PID: 42904! PID: 42906! PID: 42905! PID: 42904! PID: 42907! PID: 42905! PID: 42906! PID: 42907! PID: 42904! PID: 42905! PID: 42906! PID: 42907! PID: 42904! PID: 42905! PID: 42906! PID: 42907! PID: 42904! PID: 42905! PID: 42906! PID: 42904!
Shared
先执行 NODE_CLUSTER_SCHED_POLICY=none node cluster.js，则 Node.js 会使用 SharedHandle，然后执行 node client.js，会看到如下输出，可以看到同一个 PID 连续输出了多次，所以这种策略会导致进程任务分配不均的现象。就像公司里有些人忙到 996，有些人天天摸鱼，这显然不是老板愿意看到的现象，所以不推荐使用。
PID: 42561! PID: 42562! PID: 42561! PID: 42562! PID: 42564! PID: 42561! PID: 42562! PID: 42563! PID: 42561! PID: 42562! PID: 42563! PID: 42564! PID: 42564! PID: 42564! PID: 42564! PID: 42564! PID: 42563! PID: 42563! PID: 42564! PID: 42563!
