Nodejs 第十五章 child_process

child_process 子进程

child_process 模块是 Node.js 的一个核心模块，可以从 Node.js 应用程序中创建和管理子进程。子进程是从父进程（你的 Node.js 应用）中派生出来的新进程，它可以执行系统命令、运行其他应用或执行 JavaScript 文件。使用子进程，可以实现多任务处理，提高应用的性能和效率

什么是子进程

• 子进程是操作系统中由其他进程（父进程）创建的进程
  • 使用子进程时需要注意安全问题，特别是当执行的命令包含来自用户输入的部分时，需要防止注入攻击。
  • 过多的子进程可能会耗尽系统资源，需要合理管理子进程的数量

使用场景

1. 执行系统命令 ：从 Node.js 应用中执行 Shell 命令时，如 ls, grep, mkdir 等。
2. 运行其他应用程序：在 Node.js 应用中运行其他外部应用程序，比如 Python 脚本、Ruby 程序或其他可执行文件。
3. 并行处理：需要并行执行多个任务以提高应用性能时，可以使用子进程。这在处理 CPU 密集型任务时尤其有用。
4. 资源密集型操作：对于一些资源密集型或长时间运行的操作，使用子进程可以避免阻塞 Node.js 的事件循环。

创建子进程

• Nodejs创建子进程共有7个常用的API：

  有加Sync后缀的是同步API 没加的是异步API

  • 并且后面的所有Node的API都是这个规则
  • 异步一般会给我们提供一个回调函数，返回一个buffer(Buffer相当于是一个字节的数组，数组中的每一项对应一个字节的大小)，可以帮我们执行shell命令，或者跟软件交互

1. spawn 执行命令
2. exec 执行命令
3. execFile 执行可执行文件
4. fork 创建node子进程
5. execSync 执行命令 同步执行
6. execFileSync 执行可执行文件 同步执行
7. spawnSync 执行命令 同步执行

exec 执行命令

• 我们在终端可以输入类似node -v的命令来获取当前node的版本，那在代码中，我们要怎么获取？

  • 答案是通过exec执行命令啦，然后会返回对应的内容，我们要用回调函数接收一下

    1. 回调的有三个参数，意思分别都写在下图的注释中了，需要注意的是输出的是buffer，我们要能看懂，需要使用toString()进行转化

  • std 在 stdout 中代表的是 "standard" 的缩写，意为"标准"。因此，stdout 完整的英文是 "standard output"，指的是标准输出流。同理，stdin 表示 "standard input"（标准输入流），而 stderr 表示 "standard error"（标准错误流）。这些术语来自 UNIX 和类 UNIX 系统的传统，现在被广泛应用于各种操作系统和编程环境中

• 上面是异步的写法，那其实还有同步的写法，会更简单一些，也更常用

const { execSync, spawn, fork } = require('child_process');

const node_version = execSync('node -v').toString()
console.log(node_version);

• 所以执行较小的shell命令，想要立马拿到结果的shell命令，就适合使用execSync去进行。

  • exec是有字节上限的，不能超过200kb，否则会报错
  • 只要是操作系统里面有的操作命令都可以执行
  • 有返回值的话，就可以用变量接收一下，如果没有返回值就直接输出就ok了

  const node_version = execSync('node -v').toString()//有返回值用变量接收
  execSync('mkdir test')//没返回值就直接使用(创建test文件夹)

execSync案例

• 通过这个命令，其实我们就可以灵活进行运用。

  • 在日常使用电脑的时候，作为程序员，我使用的软件是很多的。如果每天重新开机电脑，我都需要一个个打开软件，就会非常麻烦繁琐。那我能不能一次性打开我们想要使用的软件呢？
  • 其实是有办法的，通过我们的execSync命令就可以实现

  execSync('软件地址')//这样就可以打开我的软件

• 进行功能封装：

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

function openSoftwares(softwares) {
  for (const [name, path] of Object.entries(softwares)) {
    console.log(`打开了软件： ${name}...`);
    execSync(path);
  }
}

// 示例用法
const softwareMap = {
  "记事本": "notepad.exe", // Windows上的记事本
  "计算器": "calc" // Windows上的计算器
  // 在这里添加更多的软件和它们的路径
};

openSoftwares(softwareMap);

• 如果再进行前端页面的可视化输入页面，我们就真的实现了一个小工具了，就像下面一样，这其实很简单，但很有成就感

• execSync用的还是比较多的，是个需要着重记忆的API

spawn

• spawnSync 的这个同步方法用得比较少
• spawn 没有字节上限的限制，因为返回的是一个流(buffer)，实时返回

[!TIP]

netstat（network statistics）是一个命令行工具，用于显示网络连接、路由表、接口统计等网络相关信息、帮助用户监控和问题定位网络连接

在这种情况下，exec命令会一直卡在这个输出网络连接信息，直到输出完才会停止。而spawn则是有当下有多少就返回多少(实时返回，返回流形态)

• 通过上图用execSync进行输出，能看到内容其实一直没有加载出来，所以execSync这个命令就不适合执行这种实时获取类型的任务

const { execSync, spawn, fork} = require('child_process');

const {stdout} = spawn('netstat')

stdout.on('data',(msg)=>{
  console.log(msg.toString());
})

stdout.on('close',(msg)=>{
  console.log("结束了");
})

• 而通过spawn 就能够实时获取该部分信息，同时需要注意的是，我们是从spawn中解构出stdout这个方法，这个单词的意思在前面也有说过，是标准流输出的意思，所以输出的buffer流要变成我们能看懂的形式，就要记得加上**toString()**进行转化
• spawn自带的就有close事件的，在结束的时候会抛出close事件监听，并返回状态码，通过状态码可以知道子进程是否顺利执行。exec是没有close事件的，只能通过返回的buffer去识别完成状态，识别起来较为麻烦

spawn和exec不同的传参方式

• spawn 除了第一个参数是直接传入要执行的命令，还有第二个参数，第二参数是一个数组，用来执行我们额外的命令。这些参数是明确地分开传递的，有助于防止某些类型的注入攻击，并且让参数处理更加清晰

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

//'ls' 是命令，['-lh', '/usr'] 是一个参数数组，它们将被传递给新的进程
const child = spawn('ls', ['-lh', '/usr']); // 命令: ls, 参数: ['-lh', '/usr']

• exec 的传参方式与 spawn 不同，它通过单个字符串接收命令和参数。也就是前面说的手动将命令和参数拼接成一个字符串，在命令后面跟着继续写字符串
  • exec输出方式在前面已经有详细讲解，这里不在扩展

spawn和exec相同配置项

• 里面都有一个options，该对象是用来配置子进程的各种行为，总结在下面，有需求直接用就行了

配置项	类型	默认值	描述
cwd	string	undefined	子进程的当前工作目录。如果未指定，则继承父进程的当前目录。
env	Object	process.env	为子进程指定环境变量。默认为父进程的环境变量。
shell	boolean 或 string	false	如果为 true，则在一个shell中运行命令。可以指定要使用的 shell。
stdio	string 或 Array	'pipe'	配置子进程的标准输入、标准输出和标准错误流。可以是 'pipe'（管道到父进程）、'ignore'（忽略输出）、'inherit'（继承自父进程）或数组（指定为每个流）。
timeout	number	0	子进程的最长执行时间，单位为毫秒。超时后将会杀死子进程。0 表示无超时限制。
uid	number	undefined	设置子进程的用户标识（UID），仅在 POSIX 平台上有效。
gid	number	undefined	设置子进程的组标识（GID），仅在 POSIX 平台上有效。
detached	boolean	false	如果为 true，则使子进程在父进程退出后继续运行。
windowsHide	boolean	false	在 Windows 平台上，如果设置为 true，可以隐藏子进程的窗口。

execFile

• execFile 适合执行可执行文件，例如执行一个node脚本，或者shell文件(后缀.sh的文件，这是Mac的方式)，windows可以编写cmd脚本，posix，可以编写sh脚本
• 这个方法也有对应的Sync同步方法，但还是异步方法使用的更多一点

execFile用法

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

execFile(file, [args], [options], callback);

//参数对应的意思
file：要运行的可执行文件的路径。
args（可选）：一个数组，包含所有传递给可执行文件的命令行参数。
options（可选）：一个可选的对象，用来配置执行环境及其它选项。
callback（可选）：一个函数，当子进程停止时被调用，该函数接收参数 (error, stdout, stderr)。

参数详解

• file ：这是我们希望执行的可执行文件。例如，在 Windows 系统上可能是一个 .exe 文件，在 Unix-like 系统上可能是任何可执行的二进制文件。

• args ：一个字符串数组，包含将传递给执行文件的参数。例如 ['-l', '-a']。

• options

  ：该参数有多种选项可以设置，例如：

  • cwd：子进程的当前工作目录。
  • env：环境变量键值对。
  • encoding：输出的编码（默认为 'buffer'）。
  • timeout：超时时间，超时后将会杀死子进程。
  • maxBuffer：stdout 或 stderr 上允许的最大数据量（以字节为单位），默认为 1024 * 1024。
  • killSignal：用于杀死子进程的信号（默认为 'SIGTERM'）。
  • uid 和 gid：设置进程的用户标识和群组标识。

• callback ：一个回调函数，它有三个参数：error、stdout 和 stderr。error 是如果进程遇到错误或退出码非 0 则会被设置。

execFile案例

• 使用命令mkdir创建一个文件test.js，cd进入目录，echo输出一段内容在控制台，最后执行

# 输出"开始"，标志脚本执行的开始
echo '开始'

# 创建一个名为test的新目录
mkdir test 

# 改变当前工作目录到新创建的test目录
cd ./test

# 创建一个名为test.js的新js文件，并写入一行代码(通过>符号实现写入)：console.log("xiaoyu666")
echo console.log("xiaoyu666") >test.js

# 控制台输出"结束"，标志脚本执行的结束
echo '结束'

# 使用Node.js执行test.js文件，输出其结果
node test.js

• 然后我们在使用execFile来执行这段cmd

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

//process.cwd作用和__dirname差不多，用哪个都是一样的，前面章节有说
execFile(path.resolve(process.cwd(),'./bat.cmd'),null,(err,stdout)=>{
  console.log(stdout.toString())
})

底层实现顺序

• exec -> execFile -> spawn(左边基于右边实现)

fork

child_process 模块的 fork 方法是一个特别的功能，它用于在新的 Node.js 进程中运行模块文件，是 spawn 函数的一个变体。fork 主要用于创建新的 Node.js 进程，并允许父子进程之间有一个通信通道，可以通过这个通道相互发送消息

主要特性

• 创建 Node.js 子进程 ：fork 直接运行 Node.js 模块（即 .js 文件），不需要像 spawn 或 exec 那样指定 Node.js 可执行文件。
• IPC 通信 ：fork 启动的进程之间会自动建立一个 IPC（进程间通信）通道，允许父进程和子进程通过消息传递进行通信。
• 隔离的 V8 实例 ：每个通过 fork 创建的进程都有自己的 V8 实例和独立的事件循环。

fork用法

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

const child = fork(modulePath, [args], [options]);

//modulePath：要在子进程中运行的模块文件的路径。
//args（可选）：一个字符串数组，包含传递给模块的参数。
//options（可选）：一个配置对象，可以设置各种选项，如环境变量、工作目录等。

参数详解

• modulePath：一个字符串，指向要运行的 Node.js 模块。

• args：运行模块时要传递的参数数组。

• options

  ：可以包括如下几个选项：

  • cwd：子进程的当前工作目录。
  • env：环境变量键值对。
  • execPath：用于创建子进程的可执行文件路径。
  • execArgv：传递给可执行文件的字符串参数数组（通常用于传递 V8 选项）。
  • silent：如果设置为 true，子进程中的 stdin、stdout 和 stderr 会被重定向到父进程。

事件和通信

• 父进程和子进程可以通过 send() 方法和 message 事件来发送和接收消息。对此，我们可以做一个案例来实现一个
  • 但需要注意的是，只能接受js模块
  • 在需要多核处理能力的应用中，可以使用 fork 来利用多核CPU。
  • 当需要子进程处理一些耗时的计算时，使用 fork 可以避免阻塞主事件循环。
  • 在进行大量的异步 I/O 操作时，可以通过多个子进程来分散处理压力。

//index.js文件(主线程)
const { fork } = require("child_process")

//和需要沟通的js文件建立联系
const indexProcess = fork('./xiaoyu01.js')
//发送消息
indexProcess.send('我是index')

//xiaoyu01.js文件(子线程)
process.on('message', (msg) => {
  console.log("我是xiaoyu01，接收到了消息：", msg);
})

fork底层结构图

• 下图是Node.js 中子进程如何通过 IPC（进程间通信）进行通信的基本结构

• 主进程 和子进程：图表的顶部和底部分别表示主进程和子进程，它们需要相互通信。
• IPC：位于图表中心，代表进程间通信机制，它是主进程与子进程或不同子进程之间交换数据的方式。
• libuv：位于 IPC 下方，它是一个跨平台的异步I/O库，Node.js 用它来抽象不同操作系统之间的差异，包括提供 IPC 的实现。
• Windows 和 POSIX ：图表下方的两个分支代表了不同的操作系统平台。libuv 针对每个平台使用不同的技术来实现 IPC。
  • 在 Windows 平台上，IPC 是通过"命名管道"（named pipe）实现的。
  • 在 POSIX 兼容的系统上（如 Linux 和 macOS），IPC 是通过"Unix 域套接字"（unix domain socket）实现的。