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パフォーマンスを向上させるために Node.js アプリケーションをクラスター化する

DDD

リリース： 2024-09-19 14:30:09

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Node.js は、速度と効率で知られており、高性能でスケーラブルなアプリケーションを構築するための人気の選択肢となっています。
ただし、Node.js はそのままではシングルスレッドです。つまり、単一の CPU コアで実行され、マルチコアサーバー環境では制限される可能性があります。アプリケーションがリソースを大量に消費する場合、または高トラフィックが予想される場合は、サーバーの CPU コアの使用を最大限に活用する必要があります。
そこで Node.js クラスタリングが登場します。

この投稿では、Node.js クラスタリングとは何か、それが重要な理由、そしてそれを使用してアプリケーションのパフォーマンスを向上させる方法について詳しく説明します。

Node.js クラスタリングとは何ですか?

Node.js クラスタリングは、Node.js アプリケーションの複数のインスタンス (ワーカー) を生成することで、すべての CPU コアを利用できるようにする手法です。
これらのワーカーは同じポートを共有し、マスタープロセスによって管理されます。各ワーカーは受信リクエストを独立して処理できるため、アプリケーションはワークロードを分散し、リクエストを並行して処理できます。

Node.js アプリケーションをクラスタ化すると、次のことが可能になります。

複数の CPU コアを利用する
アプリケーションのパフォーマンスを向上させます
1 人のワーカーがクラッシュした場合に備えてフォールトトレランスを提供します
コードベースを過度に複雑にすることなく水平方向にスケーリングします

クラスタリングはどのように機能しますか?

Node.js クラスターには、複数の ワーカー プロセスを制御する マスター プロセスがあります。
マスタープロセスは HTTP リクエストを直接処理しませんが、HTTP リクエストを直接処理するワーカーを管理します。クライアントからのリクエストはこれらのワーカー全体に分散され、負荷が効率的に分散されます。

何らかの理由でワーカープロセスがクラッシュした場合、マスタープロセスは新しいプロセスを生成して、ダウンタイムを最小限に抑えることができます。

どのような場合にクラスタリングを使用する必要がありますか?

クラスタリングは、アプリケーションが次のような場合に特に役立ちます。

トラフィックが多く、多数の同時リクエストを処理する必要がある
ビデオエンコード、画像処理、大規模なデータ解析など、CPU に依存するタスクを実行します。
十分に活用されていないマルチコアプロセッサ上で実行されるアプリケーションがデータベースクエリや API 呼び出しなどの I/O 操作の待機に多くの時間を費やしている場合、クラスタリングによってパフォーマンスが大幅に改善されない可能性があります。

上記の場合、非同期プログラミング手法を使用して スループット を向上させることができます。

Node.js でクラスタリングを実装する方法

Node.js は、クラスターを簡単に作成するための組み込みクラスターモジュールを提供します。 Node.js アプリケーションをクラスター化する方法の簡単な例を見てみましょう。

ステップ 1: アプリケーションのセットアップ
クラスタリングを追加する前に、単純な HTTP サーバー (server.js) があると仮定します。

const http = require('http');

const server = http.createServer((req, res) => {
  res.writeHead(200);
  res.end('Hello World\n');
});

server.listen(3000, () => {
  console.log(`Worker process ID: ${process.pid} is listening on port 3000`);
});

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このアプリケーションは単一コアで実行されます。クラスタリングを使用するように変更してみましょう。

ステップ 2: クラスターモジュールの使用
クラスターモジュールを使用すると、現在のプロセスを複数のワーカープロセスにフォークできます。クラスタリングを実装する方法は次のとおりです:

const cluster = require('cluster');
const http = require('http');
const os = require('os');

// Get the number of CPU cores
const numCPUs = os.cpus().length;

if (cluster.isMaster) {
  console.log(`Master process ID: ${process.pid}`);

  // Fork workers for each CPU core
  for (let i = 0; i < numCPUs; i++) {
    cluster.fork();
  }

  // Listen for worker exit and replace it with a new one
  cluster.on('exit', (worker, code, signal) => {
    console.log(`Worker ${worker.process.pid} died. Spawning a new one...`);
    cluster.fork();
  });
} else {
  // Workers share the same TCP connection
  http.createServer((req, res) => {
    res.writeHead(200);
    res.end('Hello from worker ' + process.pid + '\n');
  }).listen(3000);

  console.log(`Worker process ID: ${process.pid}`);
}

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説明:
1.マスタープロセス: プロセスが開始されると、それがマスタープロセス (cluster.isMaster) であるかどうかが確認されます。マスターは、CPU コアごとに 1 つずつ、ワーカープロセスをフォークする を担当します。 os.cpus() メソッドは、使用可能な CPU コアの数を取得するために使用されます。

2.ワーカープロセス: CPU コアごとに、新しいワーカーがフォークされます (cluster.fork())。これらのワーカープロセスは HTTP サーバーを実行し、受信リクエストを処理します。

3.フォールトトレランス: ワーカープロセスが クラッシュすると、cluster.on('exit') イベントがトリガーされ、死んだワーカーを置き換えるために新しいワーカーが生成されます。

ステップ 3: クラスター化されたアプリケーションをテストする
ここで、アプリケーションを実行すると: