Node Stream中運行機制的示例分析

這篇文章將為大家詳細講解有關Node Stream中運行機制的示例分析，小編覺得挺實用的，因此分享給大家做個參考，希望大家閱讀完這篇文章后可以有所收獲。

流是什么？

你可以把流理解成一種傳輸的能力。通過流，可以以平緩的方式，無副作用的將數據傳輸到目的地。在Node中，Node Stream創建的流都是專用于String和Buffer上的，一般情況下使用Buffer。Stream表示的是一種傳輸能力，Buffer是傳輸內容的載體 (可以這樣理解，Stream：外賣小哥哥， Buffer：你的外賣)。創建流的時候將ObjectMode設置true ，Stream同樣可以傳輸任意類型的JS對象（除了null，null在流中有特殊用途）。

為什么要使用流？

現在有個需求，我們要向客戶端傳輸一個大文件。如果采用下面的方式

const fs = require('fs');
const server = require('http').createServer();

server.on('request', (req, res) => {
  fs.readFile('./big.file', (err, data) => {
    if (err) throw err;
    res.end(data);
  });
});

server.listen(8000);

每次接收一個請求，就要把這個大文件讀入內存，然后再傳輸給客戶端。通過這種方式可能會產生以下三種后果：

• 內存耗盡

• 拖慢其他進程

• 增加垃圾回收器的負載

所以這種方式在傳輸大文件的情況下，不是一個好的方案。并發量一大，幾百個請求過來很容易就將內存耗盡。

如果采用流呢？

const fs = require('fs');
const server = require('http').createServer();

server.on('request', (req, res) => {
  const src = fs.createReadStream('./big.file');
  src.pipe(res);
});

server.listen(8000);

采用這種方式，不會占用太多內存，讀取一點就傳輸一點，整個過程平緩進行，非常優雅。如果想在傳輸的過程中，想對文件進行處理，比如壓縮、加密等等，也很好擴展（后面會具體介紹）。

流在Node中無處不在。從下圖中可以看出：

Stream分類

Stream分為四大類：

• Readable（可讀流）

• Writable （可寫流）

• Duplex （雙工流）

• Transform （轉換流）

Readable

可讀流中的數據，在以下兩種模式下都能產生數據。

• Flowing Mode

• Non-Flowing Mode

兩種模式下，觸發的方式以及消耗的方式不一樣。

Flowing Mode：數據會源源不斷地生產出來，形成“流動”現象。監聽流的data事件便可進入該模式。

Non-Flowing Mode下：需要顯示地調用read()方法，才能獲取數據。

兩種模式可以互相轉換

流的初始狀態是Null，通過監聽data事件，或者pipe方法，調用resume方法，將流轉為Flowing Mode狀態。Flowing Mode狀態下調用pause方法，將流置為Non-Flowing Mode狀態。Non-Flowing Mode狀態下調用resume方法，同樣可以將流置為Flowing Mode狀態。

下面詳細介紹下兩種模式下，Readable流的運行機制。

Flowing Mode

在Flowing Mode狀態下，創建的myReadable讀流，直接監聽data事件，數據就源源不斷的流出來進行消費了。

myReadable.on('data',function(chunk){
      consume(chunk);//消費流
})

一旦監聽data事件之后，Readable內部的流程如下圖所示

核心的方法是流內部的read方法，它在參數n為不同值時，分別觸發不同的操作。下面描述中的hightwatermark表示的是流內部的緩沖池的大小。

• n=undefined（消費數據，并觸發一次可讀流）

• n=0（觸發一次可讀流，但是不會消費）

• n>hightwatermark（修改hightwatermark的值）

• n<buffer的總數據數（直接返回n個字節的數據）

• n>buffer (可以返回null，也可以返回buffer所有的數據（當時最后一次讀取）)

圖中黃色標識的_read()，是用戶實現流所需要自己實現的方法，這個方法就是實際讀取流的方式（可以這樣理解，外賣平臺給你提供外賣的能力，那_read()方法就相當于你下單點外賣）。后面會詳細介紹如何實現_read方法。

以上的流程可以描述為：監聽data方法，Readable內部就會調用read方法，來進行觸發讀流操作，通過判斷是同步還是異步讀取，來決定讀取的數據是否放入緩沖區。如果為異步的，那么就要調用flow方法，來繼續觸發read方法，來讀取流，同時根據size參數判定是否emit('data')來消費流，循環讀取。如果是同步的，那就emit('data')來消費流，同時繼續觸發read方法，來讀取流。一旦push方法傳入的是null，整個流就結束了。

從使用者的角度來看，在這種模式下，你可以通過下面的方式來使用流

const fs = require('./fs');
const readFile = fs.createReadStream('./big.file');
const writeFile = fs.createWriteStream('./writeFile.js');
readFile.on('data',function(chunk){
      writeFile1.write(chunk);
})

Non-Flowing Mode

相對于Flowing mode，Non-Flowing Mode要相對簡單很多。

消費該模式下的流，需要使用下面的方式

myReadable.on(‘readable’,function(){
     const chunk = myReadable.read()
     consume(chunk);//消費流
})

在Non-Flowing Mode下，Readable內部的流程如下圖：

從這個圖上看出，你要實現該模式的讀流，同樣要實現一個_read方法。

整個流程如下：監聽readable方法，Readable內部就會調用read方法。調用用戶實現的_read方法，來push數據到緩沖池，然后發送emit readable事件，通知用戶端消費。

從使用者的角度來看，你可以通過下面的方式來使用該模式下的流

const fs = require('fs');
const readFile = fs.createReadStream('./big.file');
const writeFile = fs.createWriteStream('./writeFile.js');

readFile.on('readable',function(chunk) {
    while (null !== (chunk = myReadable.read())) {
        writeFile.write(chunk);
    }
});

Writable

相對于讀流，寫流的機制就更容易理解了。

寫流使用下面的方式進行數據寫入

myWrite.write(chunk);

調用write后，內部Writable的流程如下圖所示

類似于讀流，實現一個寫流，同樣需要用戶實現一個_write方法。

整個流程是這樣的：調用write之后，會首先判定是否要寫入緩沖區。如果不需要，那就調用用戶實現的_write方法，將流寫入到相應的地方，_write會調用一個writeable內部的一個回調函數。

從使用者的角度來看，使用一個寫流，采用下面的代碼所示的方式。

const fs = require('fs');
const readFile = fs.createReadStream('./big.file');
const writeFile = fs.createWriteStream('./writeFile.js');

readFile.on('data',function(chunk) {
    writeFile.write(chunk);
})

可以看到，使用寫流是非常簡單的。

我們先講解一下如何實現一個讀流和寫流，再來看Duplex和Transform是什么，因為了解了如何實現一個讀流和寫流，再來理解Duplex和Transform就非常簡單了。

實現自定義的Readable

實現自定義的Readable，只需要實現一個_read方法即可，需要在_read方法中調用push方法來實現數據的生產。如下面的代碼所示：

const Readable = require('stream').Readable;

class MyReadable extends Readable {
    constructor(dataSource, options) {
        super(options);
        this.dataSource = dataSource;
    }
    _read() {
        const data = this.dataSource.makeData();
        setTimeout(()=>{
            this.push(data);
        });
    }
}

// 模擬資源池
const dataSource = {
    data: new Array(10).fill('-'),
    makeData() {
        if (!dataSource.data.length) return null;
        return dataSource.data.pop();
    }
};

const myReadable = new MyReadable(dataSource,);

myReadable.on('readable', () => {
    let chunk;
    while (null !== (chunk = myReadable.read())) {
        console.log(chunk);
    }
});

實現自定義的writable

實現自定義的writable，只需要實現一個_write方法即可。在_write中消費chunk寫入到相應地方，并且調用callback回調。如下面代碼所示：

const Writable = require('stream').Writable;
class Mywritable extends  Writable{
    constuctor(options){
        super(options);
    }
    _write(chunk,endcoding,callback){
        console.log(chunk);
        callback && callback();
    }
}
const myWritable = new Mywritable();

Duplex

雙工流：簡單理解，就是講一個Readable流和一個Writable流綁定到一起，它既可以用來做讀流，又可以用來做寫流。

實現一個Duplex流，你需要同時實現_read和_write方法。

有一點需要注意的是：它所包含的 Readable流和Writable流是完全獨立，互不影響的兩個流，兩個流使用的不是同一個緩沖區。通過下面的代碼可以驗證

// 模擬資源池1
const dataSource1 = {
    data: new Array(10).fill('a'),
    makeData() {
        if (!dataSource1.data.length) return null;
        return dataSource1.data.pop();
    }
};
// 模擬資源池2
const dataSource2 = {
    data: new Array(10).fill('b'),
    makeData() {
        if (!dataSource2.data.length) return null;
        return dataSource2.data.pop();
    }
};

const Readable = require('stream').Readable;
class MyReadable extends Readable {
    constructor(dataSource, options) {
        super(options);
        this.dataSource = dataSource;
    }
    _read() {
        const data = this.dataSource.makeData();
        setTimeout(()=>{
            this.push(data);
        })

    }
}

const Writable = require('stream').Writable;
class MyWritable extends Writable{
    constructor(options){
        super(options);
    }
    _write(chunk, encoding, callback) {
        console.log(chunk.toString());
        callback && callback();
    }
}

const Duplex = require('stream').Duplex;
class MyDuplex extends Duplex{
    constructor(dataSource,options) {
        super(options);
        this.dataSource = dataSource;
    }
    _read() {
        const data = this.dataSource.makeData();
        setTimeout(()=>{
            this.push(data);
        })
    }
    _write(chunk, encoding, callback) {
        console.log(chunk.toString());
        callback && callback();
    }
}

const myWritable = new MyWritable();
const myReadable = new MyReadable(dataSource1);
const myDuplex = new MyDuplex(dataSource1);
myReadable.pipe(myDuplex).pipe(myWritable);

打印的結果是

abababababababababab

從這個結果可以看出，myReadable.pipe(myDuplex)，myDuplex充當的是寫流，寫入的內容是a；myDuplex.pipe(myWritable)，myDuplex充當的是讀流，往myWritable寫的卻是b；所以說它所包含的 Readable流和Writable流是完全獨立的。

Transform

理解了Duplex，就更好理解Transform了。Transform是一個轉換流，它既有讀的功能又有寫的功能，但是它和Duplex不同的是，它的讀流和寫流共用同一個緩沖區；也就是說，通過它讀入什么，那它就能寫入什么。

實現一個Transform，你只需要實現一個_transform方法。比如最簡單的Transform:PassThrough，其源代碼如下所示

PassThrough就是一個Transform，但是這個轉換流，什么也沒做，相當于一個透明的轉換流。可以看到_transform中什么都沒有，只是簡單的將數據進行回調。

如果我們在這個環節做些擴展，只需要在_transform中直接擴展就行了。比如我們可以對流進行壓縮，加密，混淆等等操作。

BackPress

最后介紹一個流中非常重要的一個概念：背壓。要了解這個，我們首先來看下pipe和highWaterMaker是什么。

pipe

首先看下下面的代碼

const fs = require('./fs');
const readFile = fs.createReadStream('./big.file');
const writeFile = fs.createWriteStream('./writeFile.js');
readFile.pipe(writeFile);

上面的代碼和下面是等價的

const fs = require('./fs');
const readFile = fs.createReadStream('./big.file');
const writeFile = fs.createWriteStream('./writeFile.js');
readFile.on('data',function(data){
    var flag = ws.write(data);
    if(!flag){ // 當前寫流緩沖區已滿，暫停讀數據
        readFile.pause();
    }
})
writeFile.on('drain',function()){
    readFile.resume();// 當前寫流緩沖區已清空，重新開始讀流
}
readFile.on('end',function(data){
    writeFile.end();//將寫流緩沖區的數據全部寫入，并且關閉寫入的文件
})

pipe所做的操作就是相當于為寫流和讀流自動做了速度的匹配。

讀寫流速度不匹配的情況下，一般情況下不會造成什么問題，但是會造成內存增加。內存消耗增加，就有可能會帶來一系列的問題。所以在使用的流的時候，強烈推薦使用pipe。

highWaterMaker

highWaterMaker說白了，就是定義緩沖區的大小。

• 默認16Kb（Readable最大8M)

• 可以自定義

背壓的概念可以理解為：為了防止讀寫流速度不匹配而產生的一種調整機制；背壓該調整機制的觸發時機，受限于highWaterMaker設置的大小。

如上面的代碼 var flag = ws.write(data);，一旦寫流的緩沖區滿了，那flag就會置為false，反向促進讀流的速度調整。

Stream的應用場景

主要有以下場景

1. 文件操作(復制，壓縮，解壓，加密等)

下面的就很容易就實現了文件復制的功能。

const fs = require('fs');
const readFile = fs.createReadStream('big.file');
const writeFile = fs.createWriteStream('big_copy.file');
readFile.pipe(writeFile);

那我們想在復制的過程中對文件進行壓縮呢？

const fs = require('fs');
const readFile = fs.createReadStream('big.file');
const writeFile = fs.createWriteStream('big.gz');
const zlib = require('zlib');
readFile.pipe(zlib.createGzip()).pipe(writeFile);

實現解壓、加密也是類似的。

1. 靜態文件服務器

比如需要返回一個html，可以使用如下代碼。

var http = require('http');
var fs = require('fs');
http.createServer(function(req,res){
    fs.createReadStream('./a.html').pipe(res);
}).listen(8000);

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