Node中buffer模塊的作用是什么

Node中buffer模塊的作用是什么？很多新手對此不是很清楚，為了幫助大家解決這個難題，下面小編將為大家詳細講解，有這方面需求的人可以來學習下，希望你能有所收獲。

1. buffer的基本使用

在Node 6.0以前，直接使用new Buffer，但是這種方式存在兩個問題:

1. 參數復雜: 內存分配，還是內存分配+內容寫入，需要根據參數來確定

2. 安全隱患: 分配到的內存可能還存儲著舊數據，這樣就存在安全隱患

// 本來只想申請一塊內存，但是里面卻存在舊數據
const buf1 = new Buffer(10) // <Buffer 90 09 70 6b bf 7f 00 00 50 3a>
// 不小心，舊數據就被讀取出來了
buf1.toString() // '?\tpk?\u0000\u0000P:'

為了解決上述問題，Buffer提供了Buffer.from、Buffer.alloc、Buffer.allocUnsafe、Buffer.allocUnsafeSlow四個方法來申請內存。

// 申請10個字節的內存
const buf2 = Buffer.alloc(10) // <Buffer 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00>
// 默認情況下，用0進行填充
buf2.toString() //'\u0000\u0000\u0000\u0000\u0000\u0000\u0000\u0000\u0000\u0000'

// 上述操作就相當于
const buf1 = new Buffer(10);
buf.fill(0);
buf.toString(); // '\u0000\u0000\u0000\u0000\u0000\u0000\u0000\u0000\u0000\u0000'

2. buffer的結構

buffer是一個典型的javascript與c++結合的模塊，其性能部分用c++實現，非性能部分用javascript來實現。

下面看看buffer模塊的內部結構:

exports.Buffer = Buffer;
exports.SlowBuffer = SlowBuffer;
exports.INSPECT_MAX_BYTES = 50;
exports.kMaxLength = binding.kMaxLength;

buffer模塊提供了4個接口:

1. Buffer: 二進制數據容器類，node啟動時默認加載

2. SlowBuffer: 同樣也是二進制數據容器類，不過直接進行內存申請

3. INSPECT_MAX_BYTES: 限制bufObject.inspect()輸出的長度

4. kMaxLength: 一次性內存分配的上限，大小為(2^31 - 1)

其中，由于Buffer經常使用，所以node在啟動的時候，就已經加載了Buffer，而其他三個，仍然需要使用require('buffer').***。

關于buffer的內存申請、填充、修改等涉及性能問題的操作，均通過c++里面的node_buffer.cc來實現:

// c++里面的node_buffer
namespace node {
 bool zero_fill_all_buffers = false;
 namespace Buffer {
  ...
 }
}
NODE_MODULE_CONTEXT_AWARE_BUILTIN(buffer, node::Buffer::Initialize)

3. 內存分配的策略

Node中Buffer內存分配太過常見，從系統性能考慮出發，Buffer采用了如下的管理策略。

3.1 Buffer.from

Buffer.from(value, ...)用于申請內存，并將內容寫入剛剛申請的內存中，value值是多樣的，Buffer是如何處理的呢？讓我們一起看看源碼:

Buffer.from = function(value, encodingOrOffset, length) {
 if (typeof value === 'number')
  throw new TypeError('"value" argument must not be a number');

 if (value instanceof ArrayBuffer)
  return fromArrayBuffer(value, encodingOrOffset, length);

 if (typeof value === 'string')
  return fromString(value, encodingOrOffset);

 return fromObject(value);
};

value可以分成三類:

1. ArrayBuffer的實例: ArrayBuffer是ES2015里面引入的，用于在瀏覽器端直接操作二進制數據，這樣Node就與ES2015關聯起來，同時，新創建的Buffer與ArrayBuffer內存是共享的

2. string: 該方法實現了將字符串轉變為Buffer

3. Buffer/TypeArray/Array: 會進行值的copy

3.1.1 ArrayBuffer的實例

Node v6與時俱進，將瀏覽器、node中對二進制數據的操作關聯起來，同時二者會進行內存的共享。

var b = new ArrayBuffer(4);
var v1 = new Uint8Array(b);
var buf = Buffer.from(b)
console.log('first, typeArray: ', v1) // first, typeArray: Uint8Array [ 0, 0, 0, 0 ]
console.log('first, Buffer: ', buf) // first, Buffer: <Buffer 00 00 00 00>
v1[0] = 12
console.log('second, typeArray: ', v1) // second, typeArray: Uint8Array [ 12, 0, 0, 0 ]
console.log('second, Buffer: ', buf) // second, Buffer: <Buffer 0c 00 00 00>

在上述操作中，對ArrayBuffer的操作，引起Buffer值的修改，說明二者在內存上是同享的，再從源碼層面了解下這個過程:

// buffer.js Buffer.from(arrayBuffer, ...)進入的分支:
function fromArrayBuffer(obj, byteOffset, length) {
 byteOffset >>>= 0;

 if (typeof length === 'undefined')
  return binding.createFromArrayBuffer(obj, byteOffset);

 length >>>= 0;
 return binding.createFromArrayBuffer(obj, byteOffset, length);
}
// c++ 模塊中的node_buffer:
void CreateFromArrayBuffer(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
 ...
 Local<ArrayBuffer> ab = args[0].As<ArrayBuffer>();
 ...
 Local<Uint8Array> ui = Uint8Array::New(ab, offset, max_length);
 ...
 args.GetReturnValue().Set(ui);
}

3.1.2 string

可以實現字符串與Buffer之間的轉換，同時考慮到操作的性能，采用了一些優化策略避免頻繁進行內存分配:

function fromString(string, encoding) {
 ...
 var length = byteLength(string, encoding);
 if (length === 0)
  return Buffer.alloc(0);
 // 當字符所需要的字節數大于4KB時: 直接進行內存分配
 if (length >= (Buffer.poolSize >>> 1))
  return binding.createFromString(string, encoding);
 // 當字符所需字節數小于4KB: 借助allocPool先申請、后分配的策略
 if (length > (poolSize - poolOffset))
  createPool();
 var actual = allocPool.write(string, poolOffset, encoding);
 var b = allocPool.slice(poolOffset, poolOffset + actual);
 poolOffset += actual;
 alignPool();
 return b;
}

a. 直接內存分配

當字符串所需要的字節大于4KB時，如何還從8KB的buffer pool中進行申請，那么就可能存在內存浪費，例如:

poolSize - poolOffset < 4KB: 這樣就要重新申請一個8KB的pool，剛才那個pool剩余空間就會被浪費掉

看看c++是如何進行內存分配的:

// c++
void CreateFromString(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
 ...
 Local<Object> buf;
 if (New(args.GetIsolate(), args[0].As<String>(), enc).ToLocal(&buf))
  args.GetReturnValue().Set(buf);
}

b. 借助于pool管理

用一個pool來管理頻繁的行為，在計算機中是非常常見的行為，例如http模塊中，關于tcp連接的建立，就設置了一個tcp pool。

function fromString(string, encoding) {
 ...
 // 當字符所需字節數小于4KB: 借助allocPool先申請、后分配的策略
 // pool的空間不夠用，重新分配8kb的內存
 if (length > (poolSize - poolOffset))
  createPool();
 // 在buffer pool中進行分配
 var actual = allocPool.write(string, poolOffset, encoding);
 // 得到一個內存的視圖view, 特殊說明: slice不進行copy，僅僅創建view
 var b = allocPool.slice(poolOffset, poolOffset + actual);
 poolOffset += actual;
 // 校驗poolOffset是8的整數倍
 alignPool();
 return b;
}

// pool的申請
function createPool() {
 poolSize = Buffer.poolSize;
 allocPool = createBuffer(poolSize, true);
 poolOffset = 0;
}
// node加載的時候，就會創建第一個buffer pool
createPool();
// 校驗poolOffset是8的整數倍
function alignPool() {
 // Ensure aligned slices
 if (poolOffset & 0x7) {
  poolOffset |= 0x7;
  poolOffset++;
 }
}

3.1.3 Buffer/TypeArray/Array

可用從一個現有的Buffer、TypeArray或Array中創建Buffer，內存不會共享，僅僅進行值的copy。

var buf1 = new Buffer([1,2,3,4,5]);
var buf2 = new Buffer(buf1);
console.log(buf1); // <Buffer 01 02 03 04 05>
console.log(buf2); // <Buffer 01 02 03 04 05>
buf1[0] = 16
console.log(buf1); // <Buffer 10 02 03 04 05>
console.log(buf2); // <Buffer 01 02 03 04 05>

上述示例就證明了buf1、buf2沒有進行內存的共享，僅僅是值的copy，再從源碼層面進行分析:

function fromObject(obj) {
 // 當obj為Buffer時
 if (obj instanceof Buffer) {
  ...
  const b = allocate(obj.length);
  obj.copy(b, 0, 0, obj.length);
  return b;
 }
 // 當obj為TypeArray或Array時
 if (obj) {
  if (obj.buffer instanceof ArrayBuffer || 'length' in obj) {
   ...
   return fromArrayLike(obj);
  }
  if (obj.type === 'Buffer' && Array.isArray(obj.data)) {
   return fromArrayLike(obj.data);
  }
 }

 throw new TypeError(kFromErrorMsg);
}
// 數組或類數組，逐個進行值的copy
function fromArrayLike(obj) {
 const length = obj.length;
 const b = allocate(length);
 for (var i = 0; i < length; i++)
  b[i] = obj[i] & 255;
 return b;
}

3.2 Buffer.alloc

Buffer.alloc用于內存的分配，同時會對內存的舊數據進行覆蓋，避免安全隱患的產生。

Buffer.alloc = function(size, fill, encoding) {
 ...
 if (size <= 0)
  return createBuffer(size);
 if (fill !== undefined) {
  ...
  return typeof encoding === 'string' ?
    createBuffer(size, true).fill(fill, encoding) :
    createBuffer(size, true).fill(fill);
 }
 return createBuffer(size);
};
function createBuffer(size, noZeroFill) {
 flags[kNoZeroFill] = noZeroFill ? 1 : 0;
 try {
  const ui8 = new Uint8Array(size);
  Object.setPrototypeOf(ui8, Buffer.prototype);
  return ui8;
 } finally {
  flags[kNoZeroFill] = 0;
 }
}

上述代碼有幾個需要注意的點:

3.2.1 先申請后填充

alloc先通過createBuffer申請一塊內存，然后再進行填充，保證申請的內存全部用fill進行填充。

var buf = Buffer.alloc(10, 11);
console.log(buf); // <Buffer 0b 0b 0b 0b 0b 0b 0b 0b 0b 0b>

3.2.2 flags標示

flags用于標識默認的填充值是否為0，該值在javascript中設置，在c++中進行讀取。

// js
const binding = process.binding('buffer');
const bindingObj = {};
...
binding.setupBufferJS(Buffer.prototype, bindingObj);
...
const flags = bindingObj.flags;
const kNoZeroFill = 0;

// c++
void SetupBufferJS(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
 ...
 Local<Object> bObj = args[1].As<Object>();
 ...
 bObj->Set(String::NewFromUtf8(env->isolate(), "flags"),
  Uint32Array::New(array_buffer, 0, fields_count));
}

3.2.3 Uint8Array

Uint8Array是ES2015 TypeArray中的一種，可以在瀏覽器中創建二進制數據，這樣就把瀏覽器、Node連接起來。

3.3 Buffer.allocUnSafe

Buffer.allocUnSafe與Buffer.alloc的區別在于，前者是從采用allocate的策略，嘗試從buffer pool中申請內存，而buffer pool是不會進行默認值填充的，所以這種行為是不安全的。

Buffer.allocUnsafe = function(size) {
 assertSize(size);
 return allocate(size);
};

3.4 Buffer.allocUnsafeSlow

Buffer.allocUnsafeSlow有兩個大特點: 直接通過c++進行內存分配；不會進行舊值填充。

Buffer.allocUnsafeSlow = function(size) {
 assertSize(size);
 return createBuffer(size, true);
};

4. 結語

字符串與Buffer之間存在較大的差距，同時二者又存在編碼關系。通過Node，前端工程師已經深入到網絡操作、文件操作等領域，對二進制數據的操作就顯得非常重要，因此理解Buffer的諸多細節十分必要。

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