Node.js Child Process 探索

为什么我们需要 Child Process？

Node.js 的设计哲学是“事件驱动、非阻塞 I/O”，这使得它在处理高并发网络请求时表现优异。然而，Node.js 本质上是单线程的。

这意味着什么？意味着它非常不擅长 CPU 密集型任务（如视频转码、大规模数据计算、复杂的图像处理）。如果主线程被这些任务阻塞，整个应用就会“假死”，无法响应任何其他请求。

child_process（子进程）模块就是为了解决这个问题而生的。它允许你生成新的进程，利用操作系统的多核 CPU 能力，或者直接执行系统 Shell 命令，而不会阻塞 Node.js 的主线程。

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第一部分：四大核心方法 (The Big Four)

Node.js 提供了四种创建子进程的方式，它们各司其职。

1. spawn() —— 处理流 (Stream) 的首选

这是最基础、最强大的方法。它不会一次性加载所有数据，而是以流 (Stream) 的形式返回数据。

• 适用场景： 处理大量数据（如读取几个 G 的日志）、长时间运行的进程。
• 特点： 内存占用小，没有缓冲区上限风险。
• 是否创建 Shell： 否（默认直接调用命令，更安全）。

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

// 例子：执行 'ls -lh /usr'
const ls = spawn('ls', ['-lh', '/usr']);

// 监听标准输出（数据是一块一块流出来的）
ls.stdout.on('data', (data) => {
  console.log(`输出: ${data}`);
});

// 监听错误输出
ls.stderr.on('data', (data) => {
  console.error(`错误: ${data}`);
});

// 监听进程结束（推荐监听 close 而不是 exit）
ls.on('close', (code) => {
  console.log(`子进程退出，退出码 ${code}`);
});

2. exec() —— 快速执行 Shell 命令

它会创建一个 Shell（如 /bin/sh 或 cmd.exe），执行命令，并将产生的输出缓冲 (Buffer) 起来，最后一次性回调给函数。

• 适用场景： 执行返回结果较短的简单命令（如 git status）。
• 缺点： 如果输出数据超过默认缓冲区大小（默认 1MB），进程会直接崩溃。
• 是否创建 Shell： 是（支持管道 | 等 Shell 语法）。

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

exec('ls -lh | grep .json', (error, stdout, stderr) => {
  if (error) {
    console.error(`执行出错: ${error}`);
    return;
  }
  console.log(`结果: ${stdout}`);
});

3. execFile() —— 执行可执行文件

类似于 exec()，但它默认不创建 Shell，而是直接执行指定的文件。

• 适用场景： 执行 .sh 脚本、.exe 文件或具体的二进制程序。
• 特点： 比 exec 更高效（省去了 Shell 开销），且更安全（避免 Shell 注入）。

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

execFile('node', ['--version'], (error, stdout, stderr) => {
  if (error) throw error;
  console.log(stdout);
});

4. fork() —— Node 进程专用

这是 spawn() 的一个特例，专门用于派生新的 Node.js 进程。

• 核心卖点： 它会在父子进程间建立一个 IPC (进程间通信) 通道，允许互发 JSON 消息。
• 代价： 每个进程都是独立的 V8 实例，内存消耗较大（30MB+ 起步）。

// parent.js
const { fork } = require('child_process');
const child = fork('./child.js');

child.send({ msg: '启动计算任务' }); // 发送消息
child.on('message', (m) => console.log('父进程收到:', m)); // 接收消息

决策速查表

方法	核心机制	是否开启 Shell	适合场景	关键限制
spawn	Stream (流)	否 (默认)	大文件、长耗时任务	需手动处理流事件
exec	Buffer (缓冲)	是	简单命令	maxBuffer (1MB) 限制
execFile	Buffer (缓冲)	否	执行脚本/程序	同样受 maxBuffer 限制
fork	IPC 通道	否	Node.js 多进程计算	资源开销大

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第二部分：参数详解 (The Options Object)

很多人只关注 command，却忽略了 options 对象。这才是控制子进程行为的关键。

1. 通用高频参数

• cwd (Current Working Directory)

  • 作用： 指定子进程在哪个目录下运行。
  • 场景： 比如在特定项目文件夹下执行 npm install。

• env (Environment Variables)

  • 作用： 指定子进程的环境变量。
  • 🚫 致命坑点： 这个参数是覆盖而非合并。如果你只传了自定义变量，子进程将丢失系统 PATH，导致连 ls 都找不到。
  • ✅ 正确写法： { env: { ...process.env, MY_VAR: '123' } }

• stdio (Standard I/O) —— 最重要配置

  • 作用： 决定子进程的日志去哪里。
  • 'pipe' (默认)：建立管道，父进程通过代码读取。
  • 'inherit'：直接复用父进程终端。子进程的 console.log 直接打印在你的屏幕上，适合编写 CLI 工具。
  • 'ignore'：丢弃输出。

2. exec / execFile 特有参数

• maxBuffer

  • 默认值： 1024 * 1024 (1MB)
  • 作用： stdout 或 stderr 允许的最大字节数。
  • 警告： 如果你的命令输出超过这个值（比如读取了一个大文件），子进程会抛出 RangeError 并崩溃。如果预估输出很大，请改用 spawn 或调大此值。

• timeout

  • 默认值： 0 (无限制)
  • 作用： 毫秒数。如果子进程运行超时，Node 会自动将其 Kill 掉。

3. spawn 高级参数

• detached

  • 作用： 让子进程脱离父进程独立运行。
  • 场景： 编写常驻后台的守护进程。通常需要配合 child.unref() 使用，否则父进程无法退出。

4. shell 与安全

• shell

  • 类型： Boolean 或 String (Shell 路径)
  • 作用： 是否在 Shell 中运行。exec 默认为 true。
  • 安全警告： 开启 Shell 后，如果命令中拼接了用户输入，极易导致 Shell 注入攻击。例如用户输入 ; rm -rf /。
  • 最佳实践： 尽可能使用 spawn 或 execFile 并通过数组传递参数，而不是拼接字符串。

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第三部分：实战避坑指南

1. 监听结束事件选 close 还是 exit？

   • exit: 进程退出了，但管道里可能还有数据没流完。
   • close: stdio 流已经完全关闭。
   • 结论： 绝大多数情况下，监听 close 更稳妥。

2. Windows 上的黑框框

   • 在 Windows 上调用 spawn 或 exec 有时会弹出一个瞬间消失的 cmd 黑框。
   • 解决： 设置 options: { windowsHide: true }。

3. 僵尸进程

   • 在使用 spawn 时，如果不正确处理流（例如不消费 stdout），某些操作系统可能会因为管道缓冲区填满而挂起子进程。确保你始终在处理流，或者设置 stdio: 'ignore'。

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总结

Node.js 的 child_process 是连接底层系统能力的桥梁。

• 处理大流量、长任务 $\rightarrow$ spawn
• 简单命令、小结果 $\rightarrow$ exec
• 执行特定程序 $\rightarrow$ execFile
• Node.js 多核计算 $\rightarrow$ fork

掌握了这些，你就不再受限于 Node.js 的单线程模型，可以构建出更健壮、更强大的服务端应用。

参考资料：本文核心定义与 API 规范参考自 Node.js 中文文档 - Child Process