Wie man die Verfügbarkeit und Stabilität von Node-Anwendungen mit mehreren Instanzen erhöht

In modernen Anwendungen, die auf Node.js basieren, ist es von entscheidender Bedeutung, die Verfügbarkeit und Stabilität des Systems zu maximieren, insbesondere in Produktionsumgebungen. Ein häufiger Engpass tritt auf, wenn eine Node-Instanz abstürzt. Selbst wenn der Prozess überwacht und ein automatischer Neustart implementiert ist, bleibt es unvermeidlich, dass beim Neustart der Instanz eine gewisse Ausfallzeit entsteht, die die Verfügbarkeit des Systems beeinträchtigt. Eine Lösung für dieses Problem ist die Nutzung mehrerer Instanzen, die nicht nur den Ausfall einer Instanz kompensieren können, sondern auch eine nahtlose Skalierung der Anwendung ermöglichen.

Um diese Technik zu testen, kann man eine zufällige Absturzsimulation durchführen, indem man im Worker-Prozess nach einer zufälligen Zeitspanne einen process.exit()-Befehl auslöst. Der Primärprozess reagiert dann auf den Absturz und startet sofort einen neuen Worker. Dies lässt sich wie folgt umsetzen:

javascript
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setTimeout(() => {

   process.exit(1);
}, Math.random() * 10_000);

Wird ein Worker auf diese Weise beendet, empfängt der Primärprozess das Exit-Event und startet einen neuen Worker:

javascript
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cluster.on('exit', (worker) => {

   if (worker.exitedAfterDisconnect === true) return;

   console.log(`Worker ${worker.id} crashed. Starting a new worker...`);
   cluster.fork();
});

Es ist wichtig zu beachten, dass nur tatsächlich abgestürzte Worker neu gestartet werden und nicht diejenigen, die vom Primärprozess aufgrund von Ressourcenmanagement oder anderen Gründen manuell beendet wurden.

Durch diese einfache Methode können Node-Anwendungen die Ausfallzeit auf nahezu null reduzieren, da der Primärprozess jederzeit darauf achtet, abgestürzte Worker zu ersetzen und die Systemverfügbarkeit sicherzustellen.

Zero-Downtime-Restarts: Nahtlose Code-Deployments

Ein weiteres häufiges Problem in produktiven Node.js-Anwendungen tritt auf, wenn neue Code-Änderungen auf den Servern bereitgestellt werden müssen. Jede Änderung erfordert normalerweise einen Neustart der Node-Prozesse, was zu einer kurzen Ausfallzeit führt. Wenn jedoch mehrere Worker-Prozesse in einem Cluster betrieben werden, kann man die Worker nacheinander neu starten, um so die Systemverfügbarkeit während eines Deployments zu gewährleisten. Diese Technik wird als „Zero-Downtime-Restart“ bezeichnet.

Anstatt alle Worker-Prozesse gleichzeitig neu zu starten, was zu einem vollständigen Ausfall führen würde, kann der Primärprozess nacheinander einzelne Worker neu starten. Der Rest der Worker bleibt während dieses Vorgangs aktiv und bearbeitet weiterhin Anfragen. Dies lässt sich einfach durch das Hören auf ein Signal (z. B. SIGUSR2) implementieren, welches den Primärprozess anweist, mit dem Neustart der Worker zu beginnen:

javascript
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process.on('SIGUSR2', () => {

    const workers = Object.values(cluster.workers);
    const restartWorker = (workerIndex) => {
        const worker = workers[workerIndex];
        if (!worker) return;
        worker.on('exit', () => {

            if (worker.exitedAfterDisconnect === false) return;

            console.log(`Exited process ${worker.process.pid}`);

            cluster.fork().on('listening', () => {

                restartWorker(workerIndex + 1);
            });
        });
        worker.disconnect();
    };
    restartWorker(0);
});

Durch diese Herangehensweise wird jeder Worker nacheinander beendet und durch einen neuen Worker ersetzt, der Anfragen weiterhin bearbeitet, bis alle Worker im Cluster erfolgreich neu gestartet wurden. Der Vorteil dieser Methode ist, dass der Benutzer keine Ausfallzeit bemerkt und die Anwendung weiterhin rund um die Uhr verfügbar bleibt.

Weitere Überlegungen und Verbesserungsmöglichkeiten

Die Implementierung von Zero-Downtime-Restarts und die Verwendung mehrerer Worker sind grundlegende Techniken, um die Verfügbarkeit einer Node.js-Anwendung in Produktionsumgebungen zu gewährleisten. Dennoch gibt es weitere Aspekte, die beachtet werden sollten:

1. Überwachung und Fehlerbehandlung: Es ist entscheidend, den Zustand der Worker kontinuierlich zu überwachen. Das Einrichten eines robusten Monitoring-Systems, das nicht nur Abstürze, sondern auch Ressourcenengpässe oder unregelmäßige Verhaltensweisen erkennt, ist unerlässlich. So können frühzeitig Probleme identifiziert und behoben werden.

2. Ressourcenmanagement: Wenn ein Worker-Prozess nicht nur durch Abstürze, sondern auch aufgrund von zu hoher Auslastung oder Ressourcenverbrauch beendet wird, sollte der Primärprozess intelligent darauf reagieren. Dies könnte durch die dynamische Skalierung von Worker-Prozessen oder durch das Optimieren des Workloads erfolgen.

3. Skalierbarkeit auf mehreren Servern: Wenn die Anzahl der Worker-Instanzen in einem einzelnen Node-Prozess nicht mehr ausreicht, kann eine horizontale Skalierung erforderlich werden. Dies bedeutet, dass zusätzliche Server instanziiert werden, die jeweils eigene Worker-Prozesse betreiben und über eine Lastverteilung die Anfragen verarbeiten. In solchen Fällen ist es notwendig, ein Load-Balancing-System zu integrieren, das den Verkehr effizient auf alle verfügbaren Instanzen verteilt.

4. Anwendungslogik und Zustand: Bei der Arbeit mit mehreren Instanzen ist es wichtig, dass der Zustand der Anwendung konsistent bleibt, auch wenn Worker neu gestartet werden. Techniken wie Lastenverteilung, Caching und Datenbankpartitionierung müssen sorgfältig geplant werden, um sicherzustellen, dass der Zustand über alle Instanzen hinweg korrekt synchronisiert wird.

5. Fehlerbehandlung und Rückfallmechanismen: In Systemen, in denen mehrere Instanzen gleichzeitig ausgeführt werden, ist es ebenfalls wichtig, Fehlerbehandlungsstrategien zu entwickeln, die verhindern, dass einzelne Fehler das gesamte System destabilisieren. Ein effektiver Rückfallmechanismus, der alternative Worker oder Ressourcen verwendet, wenn ein Fehler auftritt, kann den Dienst stabil halten.

Wie man mit Task Runnern und Automatisierung in Node arbeitet

Ein Beispiel aus der Praxis: Angenommen, eine Anwendung nutzt Sass, eine CSS-Erweiterung, und es ist erforderlich, alle Sass-Dateien in CSS-Dateien umzuwandeln. Diese Transformation kann auf verschiedene Weisen durchgeführt werden, zum Beispiel mit einem Modul-Bundler wie Webpack, aber es kann auch sinnvoll sein, diese Aufgabe anders zu lösen, etwa durch den Einsatz von Gulp oder Grunt, insbesondere in einer Produktionsumgebung. Hier ein einfaches Beispiel für eine Gulp-Task:

javascript
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const gulp = require('gulp');

const sass = require('gulp-sass')(require('sass'));

gulp.task('sass', () => {
  return gulp.src('src/*.scss') // Quell-Dateien
    .pipe(sass())               // Sass zu CSS kompilieren

    .pipe(gulp.dest('dist'));   // Zielverzeichnis

});

Ein Grunt-Beispiel könnte ähnlich aussehen:

javascript
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module.exports = function(grunt) {
  grunt.initConfig({
    sass: {
      dist: {
        files: {
          'dist/app.css': 'src/app.scss'
        }
      }
    }
  });
  grunt.loadNpmTasks('grunt-sass');
  grunt.registerTask('default', ['sass']);
};

Für einfache Aufgaben genügt auch die Nutzung von npm-Skripten, die direkt in der package.json definiert werden können:

json
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"scripts": {

  "sass": "sass src/app.scss dist/app.css"
}

Neben lokalen Task Runnern wie Gulp und Grunt gibt es auch die Möglichkeit, Aufgaben in der Cloud zu definieren und auszuführen. Dienste wie GitHub Actions, Travis CI oder CircleCI bieten die Möglichkeit, Workflows zu automatisieren und parallel auszuführen, was besonders in größeren Projekten von Vorteil sein kann. Die Wahl zwischen lokalen Task Runnern und Cloud-Diensten hängt oft von den eigenen Präferenzen und Anforderungen ab, aber unabhängig von der Wahl ist es entscheidend, dass die Anwendungsaufgaben klar definiert sind und mit einfachen Befehlen automatisiert werden können.

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Automatisierung in Node.js ist der Einsatz von Tools, die die Effizienz der Entwicklung steigern. Automatisierung spart Zeit und stellt sicher, dass Aufgaben nicht vergessen oder manuell erledigt werden müssen. In Node.js gibt es zahlreiche Möglichkeiten, wie etwa:

• npm pre- und post-Skripte, die es ermöglichen, ein Skript vor oder nach einem anderen Skript auszuführen (z.B. vor einem Testlauf automatisch ESLint ausführen).

• npm-run-all, das es erlaubt, mehrere npm-Skripte parallel oder nacheinander auszuführen.

• Husky, das es ermöglicht, Befehle automatisch zu bestimmten Phasen des Git-Lebenszyklus auszuführen, z.B. ein Gulp-Task vor jedem Commit zu starten.

• Live Server, der Änderungen in den Projektdateien überwacht und den Browser automatisch neu lädt.

Ein wesentliches Element, das mit Webframeworks wie Express vereinfacht wird, ist das Routing. Routing beschreibt, wie eine Anwendung auf eingehende Anfragen zu bestimmten URLs (oder Routen) und HTTP-Methoden reagiert. Mit Node.js' nativer HTTP-Unterstützung könnte man dies zum Beispiel durch eine switch-Anweisung umsetzen, die alle Routen manuell prüft. Dies mag für kleinere Anwendungen noch ausreichen, doch mit wachsendem Projektumfang wird diese Methode schnell unübersichtlich und wartungsintensiv. Frameworks wie Express vereinfachen das Routing erheblich und erlauben eine deklarativere Handhabung von Routen und HTTP-Methoden:

javascript
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import express from 'express';

const server = express();
server.get('/', (req, res) => {
  res.send('Home Page');
});
server.get('/user', (req, res) => {
  res.send('User Page');
});
server.post('/user', (req, res) => {
  res.send({ status: 'ok' });
});
server.listen(3000, () => {
  console.log('Server running at http://localhost:3000/');
});

Ein wichtiger Vorteil von Express und anderen Frameworks liegt in der Vereinfachung von Aufgaben wie der Antwortvorbereitung. Während man in Node.js' nativer http-Modulbibliothek viel Code schreiben müsste, um beispielsweise eine Datei zu senden, lässt sich diese Aufgabe in Express mit einer einzigen Zeile erledigen:

javascript
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res.sendFile(imagePath);

Dies reduziert nicht nur den Entwicklungsaufwand, sondern macht den Code auch leserlicher und wartungsfreundlicher. Frameworks bieten zudem zahlreiche Erweiterungen und Plugins, die es ermöglichen, die Funktionalität je nach Bedarf anzupassen und zu erweitern.

Die Wahl des richtigen Tools für eine Aufgabe und die konsequente Automatisierung von Prozessen sind zentrale Aspekte eines effizienten Entwicklungsworkflows in Node.js. Diese Maßnahmen tragen dazu bei, die Produktivität zu steigern, die Qualität zu sichern und wiederkehrende Fehler zu vermeiden.