Node.js中创建和管理外部进程详解
作者：Jack Yao
Node被设计用来高效的处理I/O操作，但是你应该知道，有些类型的程序并不适合这种模式。比如，如果你打算用Node处理一个CPU密集的任务，你可能会堵塞事件循环，并因此降低了程序的响应。替代办法是，把CPU密集的任务分配给一个单独的进程来处理，从而释放事件循环。Node允许你产生进程，并把这个新进程做为它父进程的子进程。在Node里，子进程可以和父进程进行双向通信，而且在某种程度上，父进程还可以监控和管理子进程。
另外一种需要使用子进程的情况是，当你想简单地执行一个外部命令，并让Node获取命令的返回值时。比如，你可以执行一个UNIX命令、脚本或者其他那些不能在Node里直接执行的命令。
本章将向你展示如何执行外部命令，创建，并和子进程通信，以及终结子进程。重点是让你了解如何在Node进程外完成一系列任务。
执行外部命令
当你需要执行一个外部shell命令或可执行文件时，你可以使用child_process模块，像这样导入它：
var child_process = require(‘child_process')
然后可以用模块内的exec函数来执行外部命令：
var exec = child_process.exec;
exec(command,callback);
exec的第一个参数是你准备执行的shell命令字符串，第二个参数是一个回调函数。这个回调函数将会在exec执行完外部命令或者有错误发生时被调用。回调函数有三个参数：error,stdout,stderr，看下面的例子：
exec(‘ls',function(err,stdout,stderr){
//译者注：如果使用windows，可改为windows命令，比如dir，后面不再赘述
});
如果有错误发生，第一个参数将会是一个Error类的实例，如果第一个参数不包含错误，那么第二个参数stdout将会包含命令的标准输出。最后一个参数包含命令相关的错误输出。
列表8-1 展示了一个复杂些的执行外部命令的例子
LISTING 8-1：执行外部命令（源码：chapter8/01_external_command.js）
//导入child_process模块的exec函数
var exec = require(‘child_process').exec;
//调用“cat *.js | wc -l”命令
exec(‘cat *.js | wc –l ‘, function(err, stdout, stderr ){ //第四行
//命令退出或者调用失败
if( err ){
//启动外部进程失败
console.log(‘child_process 退出，错误码是：',err.code);
return;
}
}
第四行，我们把“cat *.js | wc -l”作为第一个参数传递给exec，你也可以尝试任何其它命令，只要你在shell里使用过的命令都可以。
然后将一个回调函数作为第二个参数，它将会在错误发生或者子进程终结的时候被调用。
还可以在回调函数之前传递第三个可选参数，它包含一些配置选项，比如：
var exec = require(‘child_process').exec;
var options ={
timeout: 1000,
killSignal: ‘SIGKILL'
};
exec(‘cat *.js | wc –l ‘, options, function(err,stdout,stderr){
//…
});
可以使用的参数有：
1.cwd —— 当前目录，可以指定当前工作目录。
2.encoding —— 子进程输出内容的编码格式，默认值是”utf8”，也就是UTF-8编码。如果子进程的输出不是utf8，你可以用这个参数来设置，支持的编码格式有：
ascii
utf8
ucs2
base64
如果你想了解Node支持的这些编码格式的更多信息，请参考第4章“使用Buffer处理,编码,解码二进制数据”。
1.timeout —— 以毫秒为单位的命令执行超时时间，默认是0，即无限制，一直等到子进程结束。
2.maxBuffer —— 指定stdout流和stderr流允许输出的最大字节数，如果达到最大值，子进程会被杀死。默认值是200*1024。
3.killSignal —— 当超时或者输出缓存达到最大值时发送给子进程的终结信号。默认值是“SIGTERM”，它将给子进程发送一个终结信号。通常都会使用这种有序的方式来结束进程。当用SIGTERM信号时，进程接收到以后还可以进行处理或者重写信号处理器的默认行为。如果目标进程需要，你可以同时向他传递其它的信号（比如SIGUSR1）。你也可以选择发送一个SIGKILL信号，它会被操作系统处理并强制立刻结束子进程，这样的话，子进程的任何清理操作都不会被执行。
如果你想更进一步的控制进程的结束，可以使用child_process.spawn命令，后面会介绍。
1.evn —— 指定传递给子进程的环境变量，默认是null，也就是说子进程会继承在它被创建之前的所有父进程的环境变量。
注意：使用killSignal选项，你可以以字符串的形式向目标进程发送信号。在Node里信号以字符串的形式存在，下面是UNIX信号和对应默认操作的列表：
你可能想为子进程提供一组可扩展的父级环境变量。如果直接去修改process.env对象，你会改变Node进程内所有模块的环境变量，这样会惹很多麻烦。替代方案是，创建一个新对象，复制process.env里的所有参数，见例子8-2：
LISTING 8-2：使用参数化的环境变量来执行命令（源码：chapter8/02_env_vars_augment.js）
var env = process.env,
varName,
envCopy = {},
exec = require(‘child_prcess').exec;
//将process.env复制到envCopy
for( vaName in ev){
envCopy[varName] = env[varName]；
}
//设置一些自定义变量
envCopy[‘CUSTOM ENV VAR1'] = ‘some value';
envCopy[‘CUSTOM ENV VAR2'] = ‘some other value';
//使用process.env和自定义变量来执行命令
exec(‘ls –la',{env: envCopy}, function(err,stdout,stderr){
if(err){ throw err; }
console.log(‘stdout:', stdout);
console.log(‘stderr:',stderr);
}
上面例子，创建了一个用来保存环境变量的envCopy变量，它首先从process.env那里复制Node进程的环境变量，然后又添加或替换了一些需要修改的环境变量，最后把envCopy作为环境变量参数传递给exec函数并执行外部命令。
记住，环境变量是通过操作系统在进程之间传递的，所有类型的环境变量值都是以字符串的形式到达子进程的。比如，如果父进程将数字123作为一个环境变量，子进程将会以字符串的形式接收“123”。
下面的例子，将在同一个目录里建立2个Node脚本：parent.js和child.js，第一个脚本将会调用第二个，下面我们来创建这两个文件：
LISTING 8-3: 父进程设置环境变量(chapter8/03_environment_number_parent.js)
var exec = require('child_process').exec;
exec('node child.js', {env: {number: 123}}, function(err, stdout, stderr) {
if (err) { throw err; }
console.log('stdout:\n', stdout);
console.log('stderr:\n', stderr);
});
把这段代码保存到parent.js，下面是子进程的源码，把它们保存到child.js（见例8-4）
例 8-4: 子进程解析环境变量(chapter8/04_environment_number_child.js)
var number = process.env.number;
console.log(typeof(number)); // → "string"
number = parseInt(number, 10);
console.log(typeof(number)); // → "number"
当你把这个文件保存为child.js后，就可以在这个目录下运行下面的命令：
$ node parent.js
将会看到如下的输出：
sdtou:
string
number
stderr:
可以看到，尽管父进程传递了一个数字型的环境变量，但是子进程却以字符串形式接收它（参见输出的第二行），在第三行你把这个字符串解析成了一个数字。
生成子进程
如你所见，可以使用child_process.exec()函数来启动外部进程，并在进程结束的时候调用你的回调函数，这样用起来很简单，不过也有一些缺点：
1.除了使用命令行参数和环境变量，使用exec()无法和子进程通信
2.子进程的输出是被缓存的，因此你无法流化它，它可能会耗尽内存
幸运的是，Node的child_process模块允许更细粒度的控制子进程的启动，停止，及其它常规操作。你可以在应用程序里启动一个新的子进程，Node提供一个双向的通信通道，可以让父进程和子进程相互收发字符串数据。父进程还可以有些针对子进程的管理操作，给子进程发送信号，以及强制关闭子进程。
创建子进程
你可以使用child_process.spawn函数来创建一个新的子进程，见例8-5:
例 8-5: 生成子进程。 (chapter8/05_spawning_child.js)
// 导入child_process模块的spawn函数
var spawn = require('child_process').spawn;
// 生成用来执行 "tail -f /var/log/system.log"命令的子进程
var child = spawn('tail', ['-f', '/var/log/system.log']);
上面代码生成了一个用来执行tail命令的子进程，并将“-f”和“/bar/log/system.log”作为参数。tail命令将会监控/var/log/system.og文件（如果存在的话），然后将所有追加的新数据输出到stdout标准输出流。spawn函数返回一个ChildProcess对象，它是一个指针对象，封装了真实进程的访问接口。这个例子里我们把这个新的描述符赋值给一个叫做child的变量。
监听来自子进程的数据
任何包含stdout属性的子进程句柄，都会将子进程的标准输出stdout作为一个流对象，你可以在这个流对象上绑定data事件，这样每当有数据块可用时，就会调用对应的回调函数，见下面的例子：
//将子进程的输出打印到控制台
child.stdout.on(‘data',function(data){
console.log(‘tail output: ‘ + data);
});
每当子进程将数据输出到标准输出stdout时，父进程就会得到通知并把数据打印到控制台。
除了标准输出，进程还有另外一个默认输出流：标准错误流，通常用这个流来输出错误信息。
在这个例子里，如果/var/log/system.log文件不存在，tail进程将会输出类似下面的消息：“/var/log/system.log：No such file or directory”，通过监听stderr流，父进程会在这种错误发生时得到通知。
父进程可以这样监听标准错误流：
child.stderr.on('data', function(data) {
console.log('tail error output:', data);
});
stderr属性和stdout一样，也是只读流，每当子进程往标准错误流里输出数据时，父进程就会得到通知，并输出数据。
发送数据到子进程
除了从子进程的输出流里接收数据，父进程还可以通过childPoces.stdin属性往子进程的标准输入里写入数据，以此来往子进程发送数据。
子进程可以通过process.stdin只读流来监听标准输入的数据，但是注意你首先必须得恢复（resume）标准输入流，因为它默认处于暂停（paused）状态。
例8-6将会创建一个包含如下功能的程序：
1.+1 应用：一个简单的应用程序，可以从标准输入接收整型，然后相加，再把相加以后的结果输出到标准输出流。这个应用作为一个简单的计算服务， 把Node进程模拟成一个可以执行特定工作的外部服务。
2.测试+1应用的客户端，发送随机整型，然后输出结果。用来演示Node进程如何生成一个子进程然后让它执行特定的任务。
用下面例8-6的代码创建一个名为plus_one.js的文件：
例 8-6: +1 应用程序(chapter8/06_plus_one.js)
// 恢复默认是暂停状态的标准输入流
process.stdin.resume();
process.stdin.on('data', function(data) {
var number;
try {
// 将输入数据解析为整型
number = parseInt(data.toString(), 10);
// +1
number += 1;
// 输出结果
process.stdout.write(number + "\n");
} catch(err) {
process.stderr.write(err.message + "\n");
}
});
上面代码里，我们等待来自stdin标准输入流的数据，每当有数据可用，就假设它是个整型并把它解析到一个整型变量里，然后加1，并把结果输出到标准输出流。
可以通过下面命令来运行这个程序：
$ node plus_one.js
运行后程序就开始等待输入，如果你输入一个整数然后按回车，就会看到一个被加1以后的数字被显示到屏幕上。
可以通过按Ctrl-C来退出程序。
一个测试客户端
现在你要创建一个Node进程来使用前面的“+1应用”提供的计算服务。
首先创建一个名为plus_one_test.js的文件，内容见例8-7:
例 8-7: 测试+1应用(chapter8/07_plus_one_test.js)
var spawn = require('child_process').spawn;
// 生成一个子进程来执行+1应用
var child = spawn('node', ['plus_one.js']);
// 每一秒调用一次函数
setInterval(function() {
// Create a random number smaller than 10.000
var number = Math.floor(Math.random() * 10000);
// Send that number to the child process:
child.stdin.write(number + "\n");
// Get the response from the child process and print it:
child.stdout.once('data', function(data) {
console.log('child replied to ' + number + ' with: ' + data);
});
}, 1000);
child.stderr.on('data', function(data) {
process.stdout.write(data);
});
从第一行到第四行启动了一个用来运行“+1应用”的子进程，然后使用setInterval函数每秒钟执行一次下列操作：
1..新建一个小于10000的随机数
2.将这个数字作为字符串传递给子进程
3.等待子进程回复一个字符串
4.因为你想每次只接收1个数字的计算结果，因此需要使用child.stdout.once而不是child.stdout.on。如果使用了后者，会每隔1秒注册一个data事件的回调函数，每个被注册的回调函数都会在子进程的stdout接收到数据时被执行，这样你会发现同一个计算结果会被输出多次，这种行为显然是错的。
在子进程退出时接收通知
当子进程退出时，exit事件会被触发。例8-8展示了如何监听它：
例 8-8: 监听子进程的退出事件 (chapter8/09_listen_child_exit.js)
var spawn = require('child_process').spawn;
// 生成子进程来执行 "ls -la"命令
var child = spawn('ls', ['-la']);
child.stdout.on('data', function(data) {
console.log('data from child: ' + data);
});
// 当子进程退出：
<strong>child.on('exit', function(code) {
console.log('child process terminated with code ' + code);
});</strong>
最后几行加黑的代码，父进程使用子进程的exit事件来监听它的退出事件，当事件发生时，控制台显示相应的输出。子进程的退出码会被作为第一个参数传递给回调函数。有些程序使用一个非0的退出码来代表某种失败状态。比如，如果你尝试执行命令“ls –al click filename.txt”，但是当前目录没有这个文件，你就会得到一个值为1的退出码，见例8-9：
例8-9：获得子进程的退出码 (chapter8/10_child_exit_code.js)
var spawn = require('child_process').spawn;
// 生成子进程，执行"ls does_not_exist.txt" 命令
var child = spawn('ls', ['does_not_exist.txt']);
// 当子进程退出
child.on('exit', function(code) {
console.log('child process terminated with code ' + code);
});
这个例子里，exit事件触发了回调函数，并把子进程的退出码作为第一个参数传递给它。如果子进程是被信号杀死而导致的非正常退出，那么相应的信号代码会被当作第二个参数传递给回调函数，如例8-10：
LISTING 8-10: 获得子进程的退出信号(chapter8/11_child_exit_signal.js)
var spawn = require('child_process').spawn;
// 生成子进程，运行"sleep 10"命令
var child = spawn('sleep', ['10']);
setTimeout(function() {
child.kill();
}, 1000);
child.on('exit', function(code, signal) {
if (code) {
console.log('child process terminated with code ' + code);
} else if (signal) {
console.log('child process terminated because of signal ' + signal);
}
});
这个例子里，启动一个子进程来执行sleep 10秒的操作，但是还没到10秒就发送了一个SIGKILL信号给子进程，这将会导致如下的输出：
child process terminated because of signal SIGTERM
发送信号并杀死进程
在这部分，你将学习如何使用信号来管理子进程。信号是父进程用来跟子进程通信，甚至杀死子进程的一种简单方式。
不同的信号代码代表不同的含义，有很多信号，其中最常见的一些是用来杀死进程的。如果一个进程接收到一个它不知道如何处理的信号，程序就会被异常中断。有些信号会被子进程处理，而有些只能由操作系统处理。
一般情况下，你可以使用child.kill方法来向子进程发送一个信号，默认发送SIGTERM信号：
var spawn = require('child_process').spawn;
var child = spawn('sleep', ['10']);
setTimeout(function() {
child.kill();
}, 1000);
还可以通过传入一个标识信号的字符串作为kill方法的唯一参数，来发送某个特定的信号：
child.kill(‘SIGUSR2');
需要注意的是，虽然这个方法的名字叫kill，但是发送的信号并不一定会杀死子进程。如果子进程处理了信号，默认的信号行为就会被覆盖。用Node写的子进程可以像下面这样重写信号处理器的定义：
process.on('SIGUSR2', function() {
console.log('Got a SIGUSR2 signal');
});
现在，你定义了SIGUSR2的信号处理器，当你的进程再收到SIGUSR2信号的时候就不会被杀死，而是输出“Got a SIGUSR2 signal”这句话。使用这种机制，你可以设计一种简单的方式来跟子进程沟通甚至命令它。虽然不像使用标准输入功能那么丰富，但是这方式要简单很多。
小结
这一章，学习了使用child_process.exec方法来执行外部命令，这种方式可以不使用命令行参数，而是通过定义环境变量的方式把参数传递给子进程。
还学习了通过调用child_process.spawn方法生成子进程的方式来调用外部命令，这种方式你可以使用输入流，输出流来跟子进程通信，或者使用信号来跟子进程通信以及杀死进程。