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Node.js做后端开发,stream有必要搞清楚

2019.07.12 08:11 612浏览

程序员成长指北(ID:coder_growth)
作者:koala 一个有趣的人

什么是stream

定义

流的英文stream,流(Stream)是一个抽象的数据接口,Node.js中很多对象都实现了流,流是EventEmitter对象的一个实例,总之它是会冒数据(以 Buffer 为单位),或者能够吸收数据的东西,它的本质就是让数据流动起来。
可能看一张图会更直观:
水桶管道流转图

注意:stream不是node.js独有的概念,而是一个操作系统最基本的操作方式,只不过node.js有API支持这种操作方式。linux命令的|就是stream

为什么要学习stream

视频播放例子

小伙伴们肯定都在线看过电影,对比定义中的图-水桶管道流转图source就是服务器端的视频,dest就是你自己的播放器(或者浏览器中的flash和h5 video)。大家想一下,看电影的方式就如同上面的图管道换水一样,一点点从服务端将视频流动到本地播放器,一边流动一边播放,最后流动完了也就播放完了。

说明:视频播放的这个例子,如果我们不使用管道和流动的方式,直接先从服务端加载完视频文件,然后再播放。会造成很多问题

  1. 因内存占有太多而导致系统卡顿或者崩溃
  2. 因为我们的网速 内存 cpu运算速度都是有限的,而且还要有多个程序共享使用,一个视频文件加载完可能有几个g那么大。

读取大文件data的例子

有一个这样的需求,想要读取大文件data的例子

使用文件读取

const http = require('http');
const fs = require('fs');
const path = require('path');

const server = http.createServer(function (req, res) {
    const fileName = path.resolve(__dirname, 'data.txt');
    fs.readFile(fileName, function (err, data) {
        res.end(data);
    });
});
server.listen(8000);

使用文件读取这段代码语法上并没有什么问题,但是如果data.txt文件非常大的话,到了几百M,在响应大量用户并发请求的时候,程序可能会消耗大量的内存,这样可能造成用户连接缓慢的问题。而且并发请求过大的话,服务器内存开销也会很大。这时候我们来看一下用stream实现。

const http = require('http');
const fs = require('fs');
const path = require('path');

const server = http.createServer(function (req, res) {
    const fileName = path.resolve(__dirname, 'data.txt');
    let stream = fs.createReadStream(fileName);  // 这一行有改动
    stream.pipe(res); // 这一行有改动
});
server.listen(8000);

使用stream就可以不需要把文件全部读取了再返回,而是一边读取一边返回,数据通过管道流动给客户端,真的减轻了服务器的压力。

看了两个例子我想小伙伴们应该知道为什么要使用stream了吧!因为一次性读取,操作大文件,内存和网络是吃不消的,因此要让数据流动起来,一点点的进行操作。

stream流转过程

再次看这张水桶管道流转图
水桶管道流转图

图中可以看出,stream整个流转过程包括source,dest,还有连接二者的管道pipe(stream的核心),分别介绍三者来带领大家搞懂stream流转过程。

stream从哪里来-soucre

stream的常见来源方式有三种:

  1. 从控制台输入
  2. http请求中的request
  3. 读取文件

这里先说一下从控制台输入这种方式,2和3两种方式stream应用场景章节会有详细的讲解。

看一段process.stdin的代码

process.stdin.on('data', function (chunk) {
    console.log('stream by stdin', chunk)
    console.log('stream by stdin', chunk.toString())
})
//控制台输入koalakoala后输出结果
stream by stdin <Buffer 6b 6f 61 6c 61 6b 6f 61 6c 61 0a>
stream by stdin koalakoala

运行上面代码:然后从控制台输入任何内容都会被data 事件监听到,process.stdin就是一个stream对象,data
stream对象用来监听数据传入的一个自定义函数,通过输出结果可看出process.stdin是一个stream对象。

说明: stream对象可以监听"data","end","opne","close","error"等事件。node.js中监听自定义事件使用.on方法,例如process.stdin.on(‘data’,…), req.on(‘data’,…),通过这种方式,能很直观的监听到stream数据的传入和结束

连接水桶的管道-pipe

从水桶管道流转图中可以看到,在sourcedest之间有一个连接的管道pipe,它的基本语法是source.pipe(dest)sourcedest就是通过pipe连接,让数据从source流向了dest

stream到哪里去-dest

stream的常见输出方式有三种:

  1. 输出控制台
  2. http请求中的response
  3. 写入文件

stream应用场景

stream的应用场景主要就是处理IO操作,而http请求文件操作都属于IO操作。这里再提一下stream的本质——由于一次性IO操作过大,硬件开销太多,影响软件运行效率,因此将IO分批分段进行操作,让数据像水管一样流动起来,直到流动完成,也就是操作完成。下面对几个常用的应用场景分别进行介绍

介绍一个压力测试的小工具

一个对网络请求做压力测试的工具abab 全称 Apache bench ,是 Apache 自带的一个工具,因此使用 ab 必须要安装 Apache 。mac os 系统自带 Apachewindows用户视自己的情况进行安装。运行ab 之前先启动 Apachemac os 启动方式是 sudo apachectl start

Apache bench对应参数的详细学习地址,有兴趣的可以看一下
Apache bench对应参数的详细学习地址

介绍这个小工具的目的是对下面几个场景可以进行直观的测试,看出使用stream带来了哪些性能的提升。

get请求中应用stream

这样一个需求:

使用node.js实现一个http请求,读取data.txt文件,创建一个服务,监听8000端口,读取文件后返回给客户端,讲get请求的时候用一个常规文件读取与其做对比,请看下面的例子。

  • 常规使用文件读取返回给客户端response例子 ,文件命名为getTest1.js
// getTest.js
const http = require('http');
const fs = require('fs');
const path = require('path');

const server = http.createServer(function (req, res) {
    const method = req.method; // 获取请求方法
    if (method === 'GET') { // get 请求方法判断
        const fileName = path.resolve(__dirname, 'data.txt');
        fs.readFile(fileName, function (err, data) {
            res.end(data);
        });
    }
});
server.listen(8000);
  • 使用stream返回给客户端response
    将上面代码做部分修改,文件命名为getTest2.js
// getTest2.js
// 主要展示改动的部分
const server = http.createServer(function (req, res) {
    const method = req.method; // 获取请求方法
    if (method === 'GET') { // get 请求
        const fileName = path.resolve(__dirname, 'data.txt');
        let stream = fs.createReadStream(fileName);
        stream.pipe(res); // 将 res 作为 stream 的 dest
    }
});
server.listen(8000);

对于下面get请求中使用stream的例子,会不会有些小伙伴提出质疑,难道response也是一个stream对象,是的没错,对于那张水桶管道流转图,response就是一个dest。

虽然get请求中可以使用stream,但是相比直接file文件读取·res.end(data)有什么好处呢?这时候我们刚才推荐的压力测试小工具就用到了。getTest1getTest2两段代码,将data.txt内容增加大一些,使用ab工具进行测试,运行命令ab -n 100 -c 100 http://localhost:8000/,其中-n 100表示先后发送100次请求,-c 100表示一次性发送的请求数目为100个。对比结果分析使用stream后,有非常大的性能提升,小伙伴们可以自己实际操作看一下。

post中使用stream

一个通过post请求微信小程序的地址生成二维码的需求。

/*
* 微信生成二维码接口
* params src 微信url / 其他图片请求链接
* params localFilePath: 本地路径
* params data: 微信请求参数
* */
const downloadFile=async (src, localFilePath, data)=> {
    try{
        const ws = fs.createWriteStream(localFilePath);
        return new Promise((resolve, reject) => {
            ws.on('finish', () => {
                resolve(localFilePath);
            });
            if (data) {
                request({
                    method: 'POST',
                    uri: src,
                    json: true,
                    body: data
                }).pipe(ws);
            } else {
                request(src).pipe(ws);
            }
        });
    }catch (e){
        logger.error('wxdownloadFile error: ',e);
        throw e;
    }
}

看这段使用了stream的代码,为本地文件对应的路径创建一个stream对象,然后直接.pipe(ws),将post请求的数据流转到这个本地文件中,这种stream的应用在node后端开发过程中还是比较常用的。

post与get使用stream总结

request和reponse一样,都是stream对象,可以使用stream的特性,二者的区别在于,我们再看一下水桶管道流转图

水桶管道流转图

request是source类型,是图中的源头,而response是dest类型,是图中的目的地。

在文件操作中使用stream

一个文件拷贝的例子

const fs = require('fs')
const path = require('path')

// 两个文件名
const fileName1 = path.resolve(__dirname, 'data.txt')
const fileName2 = path.resolve(__dirname, 'data-bak.txt')
// 读取文件的 stream 对象
const readStream = fs.createReadStream(fileName1)
// 写入文件的 stream 对象
const writeStream = fs.createWriteStream(fileName2)
// 通过 pipe执行拷贝,数据流转
readStream.pipe(writeStream)
// 数据读取完成监听,即拷贝完成
readStream.on('end', function () {
    console.log('拷贝完成')
})

看了这段代码,发现是不是拷贝好像很简单,创建一个可读数据流readStream,一个可写数据流writeStream,然后直接通过pipe管道把数据流转过去。这种使用stream的拷贝相比存文件的读写实现拷贝,性能要增加很多,所以小伙伴们在遇到文件操作的需求的时候,尽量先评估一下是否需要使用stream实现。

前端一些打包工具的底层实现

目前一些比较火的前端打包构建工具,都是通过node.js编写的,打包和构建的过程肯定是文件频繁操作的过程,离不来stream,例如现在比较火的gulp,有兴趣的小伙伴可以去看一下源码。

stream的种类

  • Readable Stream 可读数据流
  • Writeable Stream 可写数据流
  • Duplex Stream 双向数据流,可以同时读和写
  • Transform Stream 转换数据流,可读可写,同时可以转换(处理)数据(不常用)

之前的文章都是围绕前两种可读数据流和可写数据流,第四种流不太常用,需要的小伙伴网上搜索一下,接下来对第三种数据流Duplex Stream 说明一下。

Duplex Stream 双向的,既可读,又可写。
Duplex streams同时实现了 ReadableWritable 接口。 Duplex streams的例子包括

  • tcp sockets
  • zlib streams
  • crypto streams
    我在项目中还未使用过双工流,一些Duplex Stream的内容可以参考这篇文章NodeJS Stream 双工流

stream有什么弊端

  • rs.pipe(ws) 的方式来写文件并不是把 rs 的内容 append 到 ws 后面,而是直接用 rs 的内容覆盖 ws 原有的内容
  • 已结束/关闭的流不能重复使用,必须重新创建数据流
  • pipe 方法返回的是目标数据流,如 a.pipe(b) 返回的是 b,因此监听事件的时候请注意你监听的对象是否正确
  • 如果你要监听多个数据流,同时你又使用了 pipe 方法来串联数据流的话,你就要写成:
    代码实例:
 data
        .on('end', function() {
            console.log('data end');
        })
        .pipe(a)
        .on('end', function() {
            console.log('a end');
        })
        .pipe(b)
        .on('end', function() {
            console.log('b end');
        });

stream的常见类库

总结

看完了这篇文章是不是对stream有了一定的了解,并且知道了node对于文件处理还是有完美的解决方案的。本文中三次展示了水桶管道流转图,总要的事情说三遍希望小伙伴们记住它,除了以上内容小伙伴们会不会有一些思考,比如

  1. stream数据流转具体内容是什么呢?二进制还是string类型还是其他类型,该类型为stream带来了什么好处?
  2. 水桶管道流转图中的水管,也就是pipe函数什么时候触发的呢?在什么情况下触流转发?底层机制是什么?
    上面的疑问(由于篇幅过长拆分为两篇)会在我stream的第二篇文章为大家详细讲解。

参考文章:
Node.js 中 Stream API 的使用
Node.js官网
双月老师stream课程

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作者:koala 一个有趣的人

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