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：

 1 var cluster = require('cluster');
 2 var http = require('http');
 3 var numCPUs = require('os').cpus().length;
 4
 5 if (cluster.isMaster) {
 6   // Fork workers.
 7   for (var i = 0; i  8     cluster.fork();
 9   }
10
11   cluster.on('exit', function(worker, code, signal) {
12     console.log('worker ' + worker.process.pid + ' died');
13   });
14 } else {
15   // Workers can share any TCP connection
16   // In this case its a HTTP server
17   http.createServer(function(req, res) {
18     res.writeHead(200);
19     res.end("hello world\n");
20   }).listen(8000);
21 }

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：

 1 var normal = require('child_process').fork('child.js', ['normal']);
 2 var special = require('child_process').fork('child.js', ['special']);
 3 // Open up the server and send sockets to child
 4 var server = require('net').createServer();
 5 server.on('connection', function (socket) {
 6   // if this is a VIP
 7   if (socket.remoteAddress === '74.125.127.100') {
 8     special.send('socket', socket);
 9     return;
10   }
11   // just the usual dudes
12   normal.send('socket', socket);
13 });
14 server.listen(1337);
child.js

1 process.on('message', function(m, socket) {
2   if (m === 'socket') {
3     socket.end('You were handled as a ' + process.argv[2] + ' person');
4   }
5 });
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

 1 var http = require('http'),
 2     numCPUs = require('os').cpus().length;
 3     cp = require('child_process'),
 4     net = require('net');
 5 var workers = [];
 6 for (var i = 0; i  7     workers.push(cp.fork('app.js', ['normal']));
 8 }
 9
10 net.createServer(function(s) {
11     s.pause();
12     var worker = worker.shift();
13     worker.send('c',s);
14     workers.push(worker);
15 }).listen(80);
 1 var http = require('http'),
 2     cp = require('child_process'),
 3     net = require('net');
 4 var server = http.createServer(function(req,res){
 5     res.writeHead(200, {"Content-Type": "text/plain",         "Connection": "close"});
 6     res.end("hello, world");
 7 });
 8 console.log("webServer started on " + process.pid);
 9 process.on("message", function(msg,socket) {
10     process.nextTick(function(){
11         if(msg == 'c' && socket) {
12             socket.readable = socket.writable = true;
13             socket.resume();
14             server.connections++;
15             socket.server = server;
16             server.emit("connection", socket);
17             socket.emit("connect");
18         }
19     });
20 });
21                                        
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。