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Node.js Streams 基础总结

前段时间遇到项目上需要请求资源方获取opus编码的音频文件,然后置入ogg容器中传输给前端标准化播放器进行播放的需求。流程模式是,通过服务上建立的socket连接不断接收资源方传送的文件块。而前端请求中层服务是HTTP请求。

一个简单的需求,在Node.js服务中,比较适合处理方式是使用Stream,通过pipe不同的加解密流以及最后的HTTP responses传输给前端标准格式的文件。由于用到很多流处理方式,所以在此总结一下Node.js Streams的模块使用基础。

1. Node.js Stream 使用场景

Stream就是数据信息的一个传输集合。适合进行大文件和连续的传输文件块的处理,但不仅限于此。比如我们要将一个文件进行加密然后再压缩再传输的,通过让数据在不同的Stream中传输处理,无论在书写还是处理效率上都很有优势。

2. Stream到底是什么

Node.js中,Buffer是非常重要的一个模块。在很多数据处理中会有所应用。它进行内存分配不是通过V8实现的,而是分配的外部对外内存,主要原因可能是V8的垃圾回收机制过于影响性能。Buffer,性能部分是C++实现,而于Node.js进行了非性能方面的实现以及开放调用。

简单理解,Stream其实就是Buffer的一个更高级封装加另外实现。但Stream和Buffer在使用中,还是具有不同。比如,Buffer在分配完成读取所有数据后,才能进行使用,而Stream只要建立,当消费者需要使用时便可以使用。同时,数据可以进入缓冲区,而这个缓冲区,其实就是Buffer。

不难看出,在这样的实现下,在处理过程中,特别是大文件处理,Stream的占用内存会更低,而处理效率会更高。

我们通过两段代码来查看两者的区别

// 使用Buffer拷贝test.file大文件  大小 556641 KB

const fs = require('fs')
const time = Date.now()

fs.readFile('./test.file', (err, buffer) => {
    fs.writeFile('./test.buffer.file', buffer, err => {
        console.log('memory use: ', process.memoryUsage())
        console.log('buffer', Date.now() - time)
        console.log('finish...')
    })
})
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// 使用Stream拷贝test.file大文件  大小 556641 KB

const fs = require('fs')
const time = Date.now()

fs.createReadStream('./test.file')
    .pipe(fs.createWriteStream('./test.stream.file'))
    .on('finish', () => {
        console.log('memory use: ', process.memoryUsage())
        console.log('stream', Date.now() - time)
        console.log('finish...')
    })
复制代码

以下是输出结果: (只是一个简单的测试,但是区别还是比较明显的)

如果需要,两者之间也可以进行转换

// stream to buffer
function streamToBuffer(stream, cb) { 
    let buffers = [];
    stream.on('error', function(err) {
        console.log(err)
    })
    stream.on('data', function(data) {
        buffers.push(data)
    })
    stream.on('end', function() { 
        cb(buffers)
    })
}   
复制代码
// buffer to stream
var stream = require('stream')
function bufferToStream(buffer) {  
  var stream = new stream.Duplex()
  stream.push(buffer)   // 读入
  stream.push(null)     // null 代表读入结束
  return stream
}
复制代码

3. Stream 分类和基础用法

Node.js中,Stream有4种类型

  • Readable: 可读流

    • HTTP responses, on the client
    • HTTP requests, on the server
    • fs read streams
    • zlib streams
    • crypto streams
    • TCP sockets
    • child process stdout and stderr
    • process.stdin
  • Writable: 可写流

    • HTTP requests, on the client
    • HTTP responses, on the server
    • fs write streams
    • zlib streams
    • crypto streams
    • TCP sockets
    • child process stdin
    • process.stdout
    • process.stderr
  • Duplex: 可读可写

    • TCP sockets
    • zlib streams
    • crypto streams
  • Tranform: 读写过程中处理

    • zlib streams
    • crypto streams

虽然,上述Duplex和Tranform分类中包含了同样的Node.js实现的库,但是其实两种Stream存在区别。Duplex,可读可写,而在读写上的操作是相互独立存在的,互相不影响。而Tranform,读写是统一的,也就是说,Tranform中读入的数据经过处理,会直接写入。二者都是继承了Readable和Writable后进行实现的。

基本使用

// 文件系统下
const fs = require('fs')
var rStream = fs.createReadStream(file)
var wStream = fs.createWriteStream(file)

// 直接使用stream模块
const stream = require('stream')
var rStream = new stream.Readable()
var wStream = new stream.Writable()
var dStream = new stream.Duplex()
var tStream = new stream.Transform()

// 读写流的事件监听
rOrWStream.on('open', function() {
    // 监听打开
})
rOrWStream.on('data', function(data) {
    // 监听数据
})
rOrWStream.on('error', function(error) {
    // 监听读写错误
})
rOrWStream.on('end', function(end) {
    // 监听读取或写入结束
})
rOrWStream.on('close', function() {
    // 监听关闭流
})
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stream模块中,不同类型stream提供了多种的方法可以调用,不在此过多赘述,可以查看 官方文档

其中比较特别的是,在stream中,参数highWaterMark设置值,是stream存储的最大值,触发了stream存储设置的highWaterMark后,Writable和Readable两者表现有些许不同。

const fs = require('fs')
var rStream = fs.createReadStream(file, {
    flags: 'r',	       // 指定用什么模式打开文件,’w’代表写,’r’代表读,类似的还有’r+’、’w+’、’a’等
    encoding: 'utf8',  // 编码格式
    autoClose: true,   // 是否发生错误或结束时自动关闭
    highWaterMark: 9,  // 单位KB,不设置默认为16KB
    start:0,           // 开始读取范围
    end:0              // 结束读取范围,从文件中读取一个字节范围,而不是整个文件
})
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Writable触发后,不能继续写入,调用Writable write方法返回false,而当缓存区可以继续写入数据的时候,是会触发'drain'事件。

Readable,存在三种状态

  • readable.readableFlowing === null
  • readable.readableFlowing === false
  • readable.readableFlowing === true

null表示没有提供消费流数据的机制,所以流不会产生数据。监听 'data' 事件、调用pipe、resume方法都会使状态切换到 true,可读流开始主动地产生数据并触发事件。 调用pause、unpipe,或接收到背压(也就是缓存区达到highWaterMark值,如上writable同样),则状态会被设为 false,暂时停止事件流动但不会停止数据的生成。 在这个状态下,为 'data' 事件绑定监听器不会使状态切换到 true。

4. 定制化Stream

Stream中的pipe方法犹如管道一样,让数据可以连续通过不同的流处理,比如

const fs = require('fs')
var rStream = fs.createReadStream(file)
var wStream = fs.createWriteStream(renamefile)
rStream.pipe(wStream)
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在具体的开发中,常常需要对数据进行处理,我们需要重写模块中的方式

用例方法
只读流Readable_read
只写流Writable_write _writev _final
可读可写Duplex_read _write _writev _final
读入处理,写入Transform_transform _flush _final

写法有很多种,以Writable为例

// prototype继承
var stream = require('stream')
var util = require('util')

function MyStream () {
  stream.Writable.call(this)
}
util.inherits(MyStream, stream.Writable)
MyStream.prototype._write = function (chunk, encoding, callback) {
  console.log(chunk.toString())
  callback()
}
var myStream = new MyStream()
process.stdin.pipe(myStream)
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// 使用实例
var stream = require('stream')
var myStream = new stream.Writable()
myStream._write = function (chunk, encoding, callback) {
  console.log(chunk.toString())
  callback()
}
process.stdin.pipe(myStream)
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// 使用Constructor API
var myStream = new stream.Writable({
    _write: function(chunk, encoding, callback) {
      console.log(chunk.toString())
      callback()
    }
})
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// ES6类写法, Node 4+
class MyStream extends stream.Writable {
    _write(chunk, enc, callback) {
      console.log(chunk.toString())
      callback()
    }
}
var myStream = new MyStream()
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以下以ES6的写法为主

Writable

const { Writable } = require('stream')

class OutStream extends Writable {
    constructor(option) {
        super()
        this.encode = option.encode
    }
    _write(chunk, enc = this.encode, next) {
        console.log(chunk.toString())
        next && next()
    }
}

const outStream = new OutStream({
    encode: 'utf-8',
})
process.stdin.pipe(outStream)
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Readable

const { Readable } = require('stream')

class InStream extends Readable {
    constructor() {
        super()
    }
    _read(size) { 
        // size就是highWaterMark值
    }
}

const inStream = new InStream()
inStream.push('ABCDEFG')  // push读入
inStream.push('HIJKLMN')
inStream.push(null)       // null表示已经无数据
inStream.pipe(process.stdout)
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可以重写 _read

class InStream extends Readable {
    constructor() {
        super()
    }
    // _read会持续触发
    _read(size) { 
        this.push(this.num++)
        if(this.num > 20) {
            this.push(null) // 当num > 20,push(null)结束读入
        }
    }
}
const inStream = new InStream()
inStream.num = 0
inStream.pipe(process.stdout)
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Duplex

const { Duplex } = require('stream')
class IoStream extends Duplex {
    constructor(option) {
        super()
        let op = option || {}
        this.encode = option.encode
    }
    // 同时重写 _write _read
    _write(chunk, enc, next) {
        console.log(chunk.toString())
        next && next()
    }
    _read(size) {
        this.push(this.num++)
        if(this.num > 20) {
            this.push(null)    
        }
    }
}

const iostream = new IoStream({
    encode: 'utf-8',
})
iostream.num = 0
process.stdin.pipe(iostream).pipe(process.stdout)
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Transform

const { Transform } = require('stream')
class MyTransform extends Transform {
    constructor() {
        super()
    }
    // 重写 _transform 读入处理后写入
    _transform(chunk, enc, next) {
        this.push(chunk.toString().toUpperCase())
        next && next()
    }
}

const mytransfrom = new MyTransform()
process.stdin.pipe(mytransfrom).pipe(process.stdout)
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5. objectMode

有时我们需要处理的不仅仅是字符串,还包括特殊数据。

比如,如果有一个需要和C++服务器通信或互通信息的Node.js服务器,通过一个cache存储二进制数据,要求存入的是C++ struct结构数据。这时候,需要通过Node.js的Object处理实现同样结构数据。而同时又需要流处理的话,则需要使用到Stream的objectMode。

通过Transform进行简单介绍

const { Transform } = require('stream')
class CreateArray extends Transform {
    constructor() {
        // 开启objectMode模式
        super({
            readableObjectMode: true,
            writableObjectMode: true
        })
    }
    
    _transform(chunk, enc, next) {
        // 可以直接push Object数据
        this.push(chunk.toString().trim().split(','))
        next && next()
    }
}

class ObjToString extends Transform {
    constructor() {
        super({
            readableObjectMode: true,
            writableObjectMode: true
        })
    }
    
    _transform(chunk, enc, next) {
        // chunk可以是Object数据
        this.push(JSON.stringify(chunk))
        next && next()
    }
}

const createArray = new CreateArray()
const objtostring = new ObjToString()
process.stdin.pipe(createArray).pipe(objtostring).pipe(process.stdout)
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6. 小结

Stream是Node.js中很重要的模块,处理数据高效,在项目中需要更灵活的使用。

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