Node.js 中流操作實踐

Stream 是 Node.js 中的基礎概念，類似於 EventEmitter，專注於 IO 管道中事件驅動的數據處理方式；類比於數組或者映射，Stream 也是數據的集合，只不過其代表了不一定正在內存中的數據。。Node.js 的 Stream 分為以下類型：

• Readable Stream: 可讀流，數據的產生者，譬如 process.stdin
• Writable Stream: 可寫流，數據的消費者，譬如 process.stdout 或者 process.stderr
• Duplex Stream: 雙向流，即可讀也可寫
• Transform Stream: 轉化流，數據的轉化者

Stream 本身提供了一套接口規範，很多 Node.js 中的內建模塊都遵循了該規範，譬如著名的 fs 模塊，即是使用 Stream 接口來進行文件讀寫；同樣的，每個 HTTP 請求是可讀流，而 HTTP 響應則是可寫流。

Readable Stream

const stream = require('stream');
const fs = require('fs');
const readableStream = fs.createReadStream(process.argv[2], {
 encoding: 'utf8'
});
// 手動設置流數據編碼
// readableStream.setEncoding('utf8');
let wordCount = 0;
readableStream.on('data', function(data) {
 wordCount += data.split(/\s{1,}/).length;
});
readableStream.on('end', function() { 

 // Don't count the end of the file.
 console.log('%d %s', --wordCount, process.argv[2]);
});

當我們創建某個可讀流時，其還並未開始進行數據流動；添加了 data 的事件監聽器，它才會變成流動態的。在這之後，它就會讀取一小塊數據，然後傳到我們的回調函數里面。 data 事件的觸發頻次同樣是由實現者決定，譬如在進行文件讀取時，可能每行都會觸發一次；而在 HTTP 請求處理時，可能數 KB 的數據才會觸發一次。可以參考 nodejs/readable-stream/_stream_readable 中的相關實現，發現 on 函數會觸發 resume 方法，該方法又會調用 flow 函數進行流讀取：

// function on
if (ev === 'data') {
 // Start flowing on next tick if stream isn't explicitly paused
 if (this._readableState.flowing !== false) this.resume();
}
...
// function flow
while (state.flowing && stream.read() !== null) {}

我們還可以監聽 readable 事件，然後手動地進行數據讀取：

let data = '';
let chunk;
readableStream.on('readable', function() {
 while ((chunk = readableStream.read()) != null) {
 data += chunk;
 }
});
readableStream.on('end', function() {
 console.log(data);
});

Readable Stream 還包括如下常用的方法：

• Readable.pause(): 這個方法會暫停流的流動。換句話說就是它不會再觸發 data 事件。
• Readable.resume(): 這個方法和上面的相反，會讓暫停流恢復流動。
• Readable.unpipe(): 這個方法會把目的地移除。如果有參數傳入，它會讓可讀流停止流向某個特定的目的地，否則，它會移除所有目的地。

在日常開發中，我們可以用 stream-wormhole 來模擬消耗可讀流：

sendToWormhole(readStream, true);

Writable Stream

readableStream.on('data', function(chunk) {
 writableStream.write(chunk);
});
writableStream.end();

當 end() 被調用時，所有數據會被寫入，然後流會觸發一個 finish 事件。注意在調用 end() 之後，你就不能再往可寫流中寫入數據了。

const { Writable } = require('stream');
const outStream = new Writable({
 write(chunk, encoding, callback) {
 console.log(chunk.toString());
 callback();
 }
}); 

process.stdin.pipe(outStream);

Writable Stream 中同樣包含一些與 Readable Stream 相關的重要事件：

• error: 在寫入或鏈接發生錯誤時觸發
• pipe: 當可讀流鏈接到可寫流時，這個事件會觸發
• unpipe: 在可讀流調用 unpipe 時會觸發

Pipe | 管道

const fs = require('fs');
const inputFile = fs.createReadStream('REALLY_BIG_FILE.x');
const outputFile = fs.createWriteStream('REALLY_BIG_FILE_DEST.x');
// 當建立管道時，才發生了流的流動
inputFile.pipe(outputFile);

多個管道順序調用，即是構建了鏈接(Chaining):

const fs = require('fs');
const zlib = require('zlib');
fs.createReadStream('input.txt.gz')
 .pipe(zlib.createGunzip())
 .pipe(fs.createWriteStream('output.txt'));

管道也常用於 Web 服務器中的文件處理，以 Egg.js 中的應用為例，我們可以從 Context 中獲取到文件流並將其傳入到可寫文件流中：

const awaitWriteStream = require('await-stream-ready').write;
const sendToWormhole = require('stream-wormhole');
... 

const stream = await ctx.getFileStream();
const filename =
 md5(stream.filename) + path.extname(stream.filename).toLocaleLowerCase();
//文件生成絕對路徑
const target = path.join(this.config.baseDir, 'app/public/uploads', filename);
//生成一個文件寫入文件流
const writeStream = fs.createWriteStream(target);
try {
 //異步把文件流寫入
 await awaitWriteStream(stream.pipe(writeStream));
} catch (err) {
 //如果出現錯誤，關閉管道
 await sendToWormhole(stream);
 throw err;
}
...

參照分佈式系統導論，可知在典型的流處理場景中，我們不可以避免地要處理所謂的背壓(Backpressure)問題。無論是 Writable Stream 還是 Readable Stream，實際上都是將數據存儲在內部的 Buffer 中，可以通過 writable.writableBuffer 或者 readable.readableBuffer 來讀取。當要處理的數據存儲超過了 highWaterMark 或者當前寫入流處於繁忙狀態時，write 函數都會返回 false。pipe 函數即會自動地幫我們啟用背壓機制：

當 Node.js 的流機制監測到 write 函數返回了 false，背壓系統會自動介入；其會暫停當前 Readable Stream 的數據傳遞操作，直到消費者準備完畢。

+===============+
| Your_Data |
+=======+=======+
 |
+-------v-----------+ +-------------------+ +=================+
| Readable Stream | | Writable Stream +---------> .write(chunk) |
+-------+-----------+ +---------^---------+ +=======+=========+
 | | |
 | +======================+ | +------------------v---------+
 +-----> .pipe(destination) >---+ | Is this chunk too big? |
 +==^=======^========^==+ | Is the queue busy? |
 ^ ^ ^ +----------+-------------+---+
 | | | | |
 | | | > if (!chunk) | |
 ^ | | emit .end(); | |
 ^ ^ | > else | |
 | ^ | emit .write(); +---v---+ +---v---+
 | | ^----^-----------------< No | | Yes |
 ^ | +-------+ +---v---+
 ^ | |
 | ^ emit .pause(); +=================+ |
 | ^---^---------------------+ return false;  | +=================+ |
 | |
 ^ when queue is empty +============+ |
 ^---^-----------------^---< Buffering | |
 | |============| |
 +> emit .drain(); |  | |
 +> emit .resume(); +------------+ |
 |  | |
 +------------+ add chunk to queue |
 |  +============+

 

Duplex Stream

Duplex Stream 可以看做讀寫流的聚合體，其包含了相互獨立、擁有獨立內部緩存的兩個讀寫流， 讀取與寫入操作也可以異步進行：

 Duplex Stream
 ------------------|
 Read  You ------------------|
 Write -----> External Sink
 ------------------|

我們可以使用 Duplex 模擬簡單的套接字操作：

const { Duplex } = require('stream');
class Duplexer extends Duplex {
 constructor(props) {
 super(props);
 this.data = [];
 }
 _read(size) {
 const chunk = this.data.shift();
 if (chunk == 'stop') {
 this.push(null);
 } else {
 if (chunk) {
 this.push(chunk);
 }
 }
 }
 _write(chunk, encoding, cb) {
 this.data.push(chunk);
 cb();
 }
}
const d = new Duplexer({ allowHalfOpen: true });
d.on('data', function(chunk) {
 console.log('read: ', chunk.toString());
});
d.on('readable', function() {
 console.log('readable');
});
d.on('end', function() {
 console.log('Message Complete');
});
d.write('....');

在開發中我們也經常需要直接將某個可讀流輸出到可寫流中，此時也可以在其中引入 PassThrough，以方便進行額外地監聽：

const { PassThrough } = require('stream');
const fs = require('fs');
const duplexStream = new PassThrough();
// can be piped from reaable stream
fs.createReadStream('tmp.md').pipe(duplexStream);
// can pipe to writable stream
duplexStream.pipe(process.stdout);
// 監聽數據，這裡直接輸出的是 Buffer
duplexStream.on('data', console.log);

Transform Stream

Transform Stream 則是實現了 _transform 方法的 Duplex Stream，其在兼具讀寫功能的同時，還可以對流進行轉換:

 Transform Stream
 --------------|--------------
 You Write ----> ----> Read You
 --------------|--------------

這裡我們實現簡單的 Base64 編碼器:

const util = require('util');
const Transform = require('stream').Transform;
function Base64Encoder(options) {
 Transform.call(this, options);
}
util.inherits(Base64Encoder, Transform);
Base64Encoder.prototype._transform = function(data, encoding, callback) {
 callback(null, data.toString('base64'));
};
process.stdin.pipe(new Base64Encoder()).pipe(process.stdout);

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關鍵字: FLOW 中流 實踐