Node.js 以其非阻塞、事件驅動的架構而聞名，擅長處理高並發，尤其是 I/O 密集型任務。 然而，CPU 密集型操作提出了一個挑戰：如何防止它們阻塞主事件循環並影響效能？ 解決方案在於工作執行緒。
本文深入研究 Node.js 工作線程，解釋它們的功能，將它們與 C 和 Java 等語言中的線程進行對比，並說明它們在處理計算要求較高的任務中的用途。
Node.js 本質上是在單執行緒環境中運行的； JavaScript 程式碼在單一執行緒（事件循環）上執行。這對於非同步 I/O 來說是高效的，但它成為 CPU 密集型任務的瓶頸，例如大型資料集處理、複雜計算或密集的圖像/視訊操作。
worker_threads 模組透過在多個執行緒中並行執行 JavaScript 程式碼來解決此限制。這些執行緒卸載繁重的計算，保留主事件循環響應能力並提高整體應用程式效能。
Node.js 工作線程是本機作業系統線程，由作業系統管理，就像傳統多線程應用程式中的線程一樣。 至關重要的是，它們在 Node.js 的單執行緒 JavaScript 模型中運行，維護記憶體隔離並透過訊息傳遞進行通訊。
考慮這個說明範例：
<code class="language-javascript">const { Worker, isMainThread, parentPort } = require('worker_threads');
if (isMainThread) {
// Main thread: Creates a worker
const worker = new Worker(__filename);
worker.on('message', (message) => {
console.log('Message from worker:', message);
});
worker.postMessage('Start processing');
} else {
// Worker thread: Handles the task
parentPort.on('message', (message) => {
console.log('Received in worker:', message);
const result = heavyComputation(40);
parentPort.postMessage(result);
});
}
function heavyComputation(n) {
// Simulates heavy computation (recursive Fibonacci)
if (n <= 1) return n;
return heavyComputation(n - 1) + heavyComputation(n - 2);
}</code>在這裡，主執行緒使用相同的腳本產生一個工作執行緒。工作執行緒執行計算密集型任務（計算斐波那契數）並使用 postMessage().
工作執行緒的主要特性：
工作執行緒的最佳用例
在下列情況下在 Node.js 中使用工作執行緒：
處理大型資料集（解析大量 CSV 檔案、執行機器學習模型）從卸載到工作執行緒中獲益匪淺。
讓我們研究如何模擬 CPU 密集型任務並觀察使用工作執行緒所帶來的效率提升。
我們將利用簡單的遞歸斐波那契演算法（指數複雜度）來模擬繁重的計算。 （上一個範例中的 heavyComputation 函數示範了這一點。）
對大型資料集進行排序是另一個經典的 CPU 密集型任務。 我們可以透過對大量隨機數進行排序來模擬這一點：
<code class="language-javascript">const { Worker, isMainThread, parentPort } = require('worker_threads');
if (isMainThread) {
// Main thread: Creates a worker
const worker = new Worker(__filename);
worker.on('message', (message) => {
console.log('Message from worker:', message);
});
worker.postMessage('Start processing');
} else {
// Worker thread: Handles the task
parentPort.on('message', (message) => {
console.log('Received in worker:', message);
const result = heavyComputation(40);
parentPort.postMessage(result);
});
}
function heavyComputation(n) {
// Simulates heavy computation (recursive Fibonacci)
if (n <= 1) return n;
return heavyComputation(n - 1) + heavyComputation(n - 2);
}</code>對一百萬個數字進行排序非常耗時；工作執行緒可以在主執行緒保持回應的同時處理這個問題。
產生大範圍內的質數是另一項計算量大的任務。一個簡單（低效率）的方法是：
<code class="language-javascript">function heavyComputation() {
const arr = Array.from({ length: 1000000 }, () => Math.random());
arr.sort((a, b) => a - b);
return arr[0]; // Return the smallest element for demonstration
}</code>這需要檢查每個數字，使其適合卸載到工作執行緒。
工作執行緒與其他語言中的執行緒
Node.js 工作執行緒與 C 或 Java 中的執行緒相比如何？
| Node.js Worker Threads | C /Java Threads |
|---|---|
| No shared memory; communication uses message passing. | Threads typically share memory, simplifying data sharing but increasing the risk of race conditions. |
| Each worker has its own independent event loop. | Threads run concurrently, each with its own execution flow, sharing a common memory space. |
| Communication is via message passing (`postMessage()` and event listeners). | Communication is via shared memory, variables, or synchronization methods (mutexes, semaphores). |
| More restrictive but safer for concurrency due to isolation and message passing. | Easier for shared memory access but more prone to deadlocks or race conditions. |
| Ideal for offloading CPU-intensive tasks non-blockingly. | Best for tasks requiring frequent shared memory interaction and parallel execution in memory-intensive applications. |
在 C 和 Java 中，執行緒通常共享內存，允許直接變數存取。這很有效，但如果多個執行緒同時修改相同的數據，則會帶來競爭條件風險。同步（互斥體、信號量）通常是必要的，這會導致程式碼複雜。
Node.js 工作執行緒透過使用訊息傳遞來避免這種情況，從而增強並發應用程式的安全性。 雖然限制性更大，但這種方法可以緩解常見的多執行緒程式設計問題。
結論
Node.js 工作執行緒提供了一個強大的機制，可以在不阻塞主事件循環的情況下處理 CPU 密集型任務。 它們支援並行執行，提高計算要求較高的操作的效率。
與 C 或 Java 中的執行緒相比，Node.js 工作執行緒透過強制記憶體隔離和訊息傳遞通訊提供了更簡單、更安全的模型。這使得它們更容易在卸載任務對於效能和響應能力至關重要的應用程式中使用。 無論是建立 Web 伺服器、執行資料分析或處理大型資料集，工作執行緒都可以顯著提高效能。
以上是了解 Node.js 中的工作執行緒：深入探討的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！
