Node.js アプリケーションが成長するにつれて、より優れたパフォーマンスとスケーラビリティに対する要求が高まります。 Node.js は大規模なデータ集約型アプリケーションを処理するように設計されていますが、負荷がかかった状態でパフォーマンスと可用性を維持するには、適切にスケーリングする方法を理解することが重要です。この記事では、Node.js アプリケーションを効果的に拡張するための主要なテクニックとツールについて説明します。

Node.js アプリケーションをスケールする理由

スケーリングとは、ユーザー ベースの増加、データの増加、トラフィックの増加などによる負荷の増加を処理するアプリケーションの能力を指します。スケーリングを行わないと、アプリケーションはパフォーマンスの低下、ダウンタイム、リソースの非効率に直面する可能性があります。

2 種類のスケーリング

1. 垂直スケーリング: 単一サーバーにさらに多くの電力 (CPU、RAM) を追加します。これによりサーバーの容量は増加しますが、物理的な制限があります。

2. 水平スケーリング: サーバーを追加して負荷を分散すること。一般に「スケールアウト」と呼ばれます。この方法はより柔軟であり、大規模なシステムでよく使用されます。

Node.js アプリケーションをスケーリングするための主要なテクニック

1. ロードバランシング

負荷分散は、受信トラフィックを複数のサーバーに分散して、単一のサーバーが過負荷にならないようにする方法です。これは、Node.js アプリケーションの複数のインスタンスが実行されている水平スケーリングにおいて特に重要です。

例: 負荷分散に NGINX を使用する

http {
    upstream node_servers {
        server 127.0.0.1:3000;
        server 127.0.0.1:3001;
        server 127.0.0.1:3002;
    }

    server {
        listen 80;
        location / {
            proxy_pass http://node_servers;
        }
    }
}

説明：

• 上流ブロックは複数の Node.js インスタンスを定義します。
• 受信リクエストはインスタンス間で分散され、パフォーマンスが向上します。

2. クラスタリング

Node.js はシングルスレッドですが、Cluster モジュールを使用すると、同じサーバー ポートを共有する子プロセスを作成することで複数の CPU コアを利用できます。

例: クラスター モジュールの使用

const cluster = require('cluster');
const http = require('http');
const numCPUs = require('os').cpus().length;

if (cluster.isMaster) {
    // Fork workers.
    for (let i = 0; i  {
        console.log(`Worker ${worker.process.pid} died`);
    });
} else {
    // Workers can share the same port
    http.createServer((req, res) => {
        res.writeHead(200);
        res.end('Hello World');
    }).listen(8000);
}

説明：

• マスター プロセスは、CPU コアの数に等しいワーカー プロセスを作成します。
• 各ワーカーは受信リクエストを処理し、負荷を効率的に分散します。

3. キャッシング

キャッシュは、頻繁に要求されるデータをデータベースから再フェッチしたり結果を再計算したりするのではなく、メモリに保存することで応答時間を短縮し、負荷を軽減します。

例: キャッシュに Redis を使用する

const redis = require('redis');
const client = redis.createClient();

function cacheMiddleware(req, res, next) {
    const key = req.url;
    client.get(key, (err, data) => {
        if (err) throw err;
        if (data !== null) {
            res.send(data);
        } else {
            next();
        }
    });
}

app.get('/data', cacheMiddleware, (req, res) => {
    const data = getDataFromDatabase();
    client.setex(req.url, 3600, JSON.stringify(data));
    res.json(data);
});

説明：

• ミドルウェアは、データベース呼び出しを行う前に、キャッシュされたデータがないか Redis をチェックします。
• データがキャッシュされていない場合は、データのフェッチに進み、キャッシュして、応答を送信します。

4. ステートレスなマイクロサービス

モノリシックな Node.js アプリケーションをステートレス マイクロサービスに分割することで、各サービスを個別にスケーリングできます。これにより、アプリケーションの一部 (ユーザー認証など) のスケーリングが他の部分 (支払い処理など) に影響を与えないようになります。

例: マイクロサービス アーキテクチャ

• 各マイクロサービス (認証、製品カタログ、注文管理) は独立してデプロイされます。
• API ゲートウェイまたはサービス メッシュは、正しいマイクロサービスへのリクエストのルーティングを処理します。

5. リバースプロキシの使用

リバース プロキシ サーバーは、負荷分散、SSL 終了、静的コンテンツの提供などのさまざまなタスクを処理でき、Node.js サーバーの負荷を軽減します。

例: NGINX を使用した静的コンテンツの提供

server {
    listen 80;

    location / {
        proxy_pass http://localhost:3000;
    }

    location /static/ {
        root /var/www/html;
    }
}

説明：

• NGINX は、動的リクエストを Node.js にプロキシし、静的ファイル (CSS、JS、画像) をサーバーから直接提供するために使用されます。

Node.js アプリケーションをスケーリングするためのツール

1.PM2

PM2 は、クラスタリング、自動再起動、負荷分散、プロセス監視をサポートする、Node.js アプリケーション向けの実稼働対応プロセス マネージャーです。

例: PM2 を使用してアプリケーションをスケーリングする

# Start the application with cluster mode and 4 instances
pm2 start app.js -i 4

説明：

• PM2 はアプリケーションの複数のインスタンスを管理し、自動負荷分散とプロセス監視を提供します。

2. Docker と Kubernetes

Dockerを使用してアプリケーションをコンテナ化し、Kubernetesにデプロイすると、Node.js アプリケーションを複数のサーバー間で簡単に拡張できます。 Kubernetes は、オーケストレーション、負荷分散、スケーリングを自動的に処理します。

例: Node.js アプリケーションの Docker 化

# Dockerfile
FROM node:14
WORKDIR /app
COPY package*.json ./
RUN npm install
COPY . .
EXPOSE 3000
CMD ["node", "app.js"]

Node.js アプリケーションをスケーリングするためのベスト プラクティス

1. パフォーマンスの監視: New Relic、Datadog、Prometheus などのツールを使用して、パフォーマンス指標を追跡し、ボトルネックを特定します。
2. 非同期プログラミングを使用する: Node.js は、I/O 操作などのタスクが非同期で処理される場合に最高のパフォーマンスを発揮します。イベントループをブロックしないようにしてください。
3. データベース クエリの最適化: 接続プーリング、インデックス、キャッシュを使用して、データベースの負荷を軽減します。
4. 垂直スケーリングよりも水平スケーリング: 水平スケーリング (サーバーの追加) は、垂直スケーリング (サーバー リソースの増加) よりも高い柔軟性とフォールト トレランスを提供します。
5. サービスをステートレスに保つ: ステートレス サービスは、リクエスト間のメモリ状態に依存しないため、拡張が容易です。セッション管理には Redis やデータベースなどの外部システムを使用します。

結論

Node.js アプリケーションのスケーリングは、アプリケーションの成長に合わせてパフォーマンスを維持するために不可欠です。ロード バランシング、クラスタリング、キャッシュ、ステートレス マイクロサービスなどの手法と、PM2、Docker、Kubernetes などのツールを活用することで、Node.js アプリケーションを効率的に拡張できます。これらの戦略を実装すると、アプリケーションは速度や信頼性を犠牲にすることなく、トラフィックの増加や大規模なデータセットを処理できるようになります。