ストリームとは何ですか? Node.js の読み取り可能なストリームの詳細

この記事では、Node.js ストリームのソース コードの解釈を説明し、Node 読み取り可能なストリームと、その基本原理、使用法、動作について深く理解します。仕組み. 皆様のお役に立てれば幸いです！

#1. 基本概念

##1.1. ストリームの歴史的進化 ##ストリームは、Nodejs

に固有の概念ではありません。これらは数十年前に Unix オペレーティング システムに導入され、プログラムはパイプ演算子 (|) を介してストリーム上で相互に対話できます。

パイプ演算子 (|) は、MacOS および Unix システムをベースとした Linux で使用でき、演算子の左側のプロセスの出力を右側の入力に変換できます。

Node では、従来の readFile を使用してファイルを読み取る場合、ファイルは最初から最後までメモリに読み込まれ、すべての内容が読み取られた後でのみファイルがメモリにロードされます。ファイルの内容は均一に処理されます。

これを行うと、次の 2 つの欠点があります:

メモリ面: 大量のメモリを消費する

• 時間面: データを待つ必要があります。 データは、ペイロード全体が処理されるまで処理されません。 ストリームには 3 種類あり、それらはすべて Node.js の EventEmitter のインスタンスです。

• Readable Stream

#書き込み可能なストリーム (書き込み可能なストリーム)

• 読み取りおよび書き込み可能な全二重ストリーム (二重ストリーム)

• ##Transform Stream (Transform Stream)

• この部分を詳しく学習して、Node.js のストリームの概念を徐々に理解するには、ソース コード部分が比較的複雑であるため、私はこの部分を読みやすいストリームから学習し始めることにしました。

• 1.2. ストリームとは

ストリームとは、データが格納される抽象データ構造、データのコレクションです。次のタイプのみにすることができます (objectMode === false の場合のみ):

stringBuffer

stream as これらのデータのコレクションは液体と同じです。最初にこれらの液体をコンテナ (ストリームの内部バッファ BufferList) に保存します。対応するイベントがトリガーされると、内部の液体をパイプに注ぎ、他の人が独自の液体を持っていることを通知します。パイプの反対側に容器を設置し、内部の液体を回収して廃棄します。

1.3. 読み取り可能なストリームとは

読み取り可能なストリームとは、ストリームの 1 つのタイプです。 2 つのモードと 3 つの状態があります

2 つの読み取りモード:フロー モード: データは基盤となるシステムから読み取られ、EventEmitter を介して渡されます。登録されたイベントにデータを渡します。

#一時停止モード: このモードでは、データは読み取られないため、ストリームからデータを読み取るには、Stream.read() メソッドを明示的に呼び出す必要があります

• 3 つの状態:

• readableFlowing === null: データは生成されません。Stream.pipe () を呼び出し、Stream.resume が変更されます。ステータスを true に設定すると、データの生成が開始され、イベントがアクティブにトリガーされます。

readableFlowing === false: この時点でデータ フローは一時停止されますが、データの生成は一時停止されません。そのため、データ バックログが存在します

• readableFlowing === true: データを通常どおり生成および消費します

• 2. 基本原則

• 2.1. 内部状態定義 (ReadableState)

ReadableState

_readableState: ReadableState {
  objectMode: false, // 操作除了string、Buffer、null之外的其他类型的数据需要把这个模式打开
  highWaterMark: 16384, // 水位限制，1024 \* 16，默认16kb，超过这个限制则会停止调用\_read()读数据到buffer中
  buffer: BufferList { head: null, tail: null, length: 0 }, // Buffer链表，用于保存数据
  length: 0, // 整个可读流数据的大小，如果是objectMode则与buffer.length相等
  pipes: [], // 保存监听了该可读流的所有管道队列
  flowing: null, // 可独流的状态 null、false、true
  ended: false, // 所有数据消费完毕
  endEmitted: false, // 结束事件收否已发送
  reading: false, // 是否正在读取数据
  constructed: true, // 流在构造好之前或者失败之前，不能被销毁
  sync: true, // 是否同步触发'readable'/'data'事件，或是等到下一个tick
  needReadable: false, // 是否需要发送readable事件
  emittedReadable: false, // readable事件发送完毕
  readableListening: false, // 是否有readable监听事件
  resumeScheduled: false, // 是否调用过resume方法
  errorEmitted: false, // 错误事件已发送
  emitClose: true, // 流销毁时，是否发送close事件
  autoDestroy: true, // 自动销毁，在'end'事件触发后被调用
  destroyed: false, // 流是否已经被销毁
  errored: null, // 标识流是否报错
  closed: false, // 流是否已经关闭
  closeEmitted: false, // close事件是否已发送
  defaultEncoding: 'utf8', // 默认字符编码格式
  awaitDrainWriters: null, // 指向监听了&#39;drain&#39;事件的writer引用，类型为null、Writable、Set<Writable>
  multiAwaitDrain: false, // 是否有多个writer等待drain事件 
  readingMore: false, // 是否可以读取更多数据
  dataEmitted: false, // 数据已发送
  decoder: null, // 解码器
  encoding: null, // 编码器
  [Symbol(kPaused)]: null
},

2.2. 内部データ ストレージの実装 (BufferList)

BufferList は、内部データをストリームに格納するために使用されるコンテナであり、リンク リストの形式で設計されています。頭、尾、長さの 3 つの属性があります。

BufferList 内の各ノードを BufferNode として表します。内部のデータのタイプは objectMode によって異なります。

このデータ構造は、Array.prototype.shift() よりも高速にヘッダー データを取得します。

2.2.1. データストレージタイプ

objectMode === true:

その後、データは任意のタイプにすることができ、プッシュされたデータはすべて保存されます。

objectMode=true

const Stream = require('stream');
const readableStream = new Stream.Readable({
  objectMode: true,
  read() {},
});

readableStream.push({ name: 'lisa'});
console.log(readableStream._readableState.buffer.tail);
readableStream.push(true);
console.log(readableStream._readableState.buffer.tail);
readableStream.push('lisa');
console.log(readableStream._readableState.buffer.tail);
readableStream.push(666);
console.log(readableStream._readableState.buffer.tail);
readableStream.push(() => {});
console.log(readableStream._readableState.buffer.tail);
readableStream.push(Symbol(1));
console.log(readableStream._readableState.buffer.tail);
readableStream.push(BigInt(123));
console.log(readableStream._readableState.buffer.tail);

実行結果:

objectMode === false の場合: データは文字列、バッファ、または Uint8Array のみです

objectMode=false

const Stream = require('stream');

const readableStream = new Stream.Readable({

  objectMode: false,

  read() {},

});

readableStream.push({ name: 'lisa'});

実行結果:

2.2.2. 数据存储结构

我们在控制台通过node命令行创建一个可读流，来观察buffer中数据的变化：

当然在push数据之前我们需要实现他的_read方法，或者在构造函数的参数中实现read方法：

const Stream = require('stream');

const readableStream = new Stream.Readable();

RS._read = function(size) {}

或者

const Stream = require('stream');

const readableStream = new Stream.Readable({
  
  read(size) {}

});

经过readableStream.push('abc')操作之后，当前的buffer为：

可以看到目前的数据存储了，头尾存储的数据都是字符串'abc'的ascii码，类型为Buffer类型，length表示当前保存的数据的条数而非数据内容的大小。

2.2.3. 相关API

打印一下BufferList的所有方法可以得到：

除了join是将BufferList序列化为字符串之外，其他都是对数据的存取操作。

这里就不一一讲解所有的方法了，重点讲一下其中的consume 、_getString和_getBuffer。

2.2.3.1. consume

源码地址：BufferList.consume
https://github.com/nodejs/node/blob/d5e94fa7121c9d424588f0e1a388f8c72c784622/lib/internal/streams/buffer_list.js#L80

comsume

// Consumes a specified amount of bytes or characters from the buffered data.
consume(n, hasStrings) {
  const data = this.head.data;
  if (n < data.length) {
    // `slice` is the same for buffers and strings.
    const slice = data.slice(0, n);
    this.head.data = data.slice(n);
    return slice;
  }
  if (n === data.length) {
    // First chunk is a perfect match.
    return this.shift();
  }
  // Result spans more than one buffer.
  return hasStrings ? this.\_getString(n) : this.\_getBuffer(n);
}

代码一共有三个判断条件：

• 如果所消耗的数据的字节长度小于链表头节点存储数据的长度，则将头节点的数据取前n字节，并把当前头节点的数据设置为切片之后的数据

• 如果所消耗的数据恰好等于链表头节点所存储的数据的长度，则直接返回当前头节点的数据

• 如果所消耗的数据的长度大于链表头节点的长度，那么会根据传入的第二个参数进行最后一次判断，判断当前的BufferList底层存储的是string还是Buffer

2.2.3.2. _getBuffer

源码地址：BufferList._getBuffer
https://github.com/nodejs/node/blob/d5e94fa7121c9d424588f0e1a388f8c72c784622/lib/internal/streams/buffer_list.js#L137

comsume

// Consumes a specified amount of bytes from the buffered data.
_getBuffer(n) {
  const ret = Buffer.allocUnsafe(n);
  const retLen = n;
  let p = this.head;
  let c = 0;
  do {
    const buf = p.data;
    if (n > buf.length) {
      TypedArrayPrototypeSet(ret, buf, retLen - n);
      n -= buf.length;
    } else {
      if (n === buf.length) {
        TypedArrayPrototypeSet(ret, buf, retLen - n);
        ++c;
        if (p.next)
          this.head = p.next;
        else
          this.head = this.tail = null;
      } else {
       TypedArrayPrototypeSet(ret,
                              new Uint8Array(buf.buffer, buf.byteOffset, n),
                              retLen - n);
        this.head = p;
        p.data = buf.slice(n);
      }
      break;
    }
    ++c;
  } while ((p = p.next) !== null);
  this.length -= c;
  return ret;
}

总的来说就是循环对链表中的节点进行操作，新建一个Buffer数组用于存储返回的数据。

首先从链表的头节点开始取数据，不断的复制到新建的Buffer中，直到某一个节点的数据大于等于要取的长度减去已经取得的长度。

或者说读到链表的最后一个节点后，都还没有达到要取的长度，那么就返回这个新建的Buffer。

2.2.3.3. _getString

源码地址：BufferList._getString
https://github.com/nodejs/node/blob/d5e94fa7121c9d424588f0e1a388f8c72c784622/lib/internal/streams/buffer_list.js#L106

comsume

// Consumes a specified amount of characters from the buffered data.
_getString(n) {
  let ret = '';
  let p = this.head;
  let c = 0;
  do {
    const str = p.data;
    if (n > str.length) {
    ret += str;
    n -= str.length;
  } else {
    if (n === str.length) {
      ret += str;
      ++c;
      if (p.next)
        this.head = p.next;
      else
        this.head = this.tail = null;
    } else {
      ret += StringPrototypeSlice(str, 0, n);
      this.head = p;
      p.data = StringPrototypeSlice(str, n);
    }
    break;
    }
    ++c;
  } while ((p = p.next) !== null);
  this.length -= c;
  return ret;
}

对于操作字符串来说和操作Buffer是一样的，也是循环从链表的头部开始读数据，只是进行数据的拷贝存储方面有些差异，还有就是_getString操作返回的数据类型是string类型。

2.3. 为什么可读流是EventEmitter的实例？

对于这个问题而言，首先要了解什么是发布订阅模式，发布订阅模式在大多数API中都有重要的应用，无论是Promise还是Redux，基于发布订阅模式实现的高级API随处可见。

它的优点在于能将事件的相关回调函数存储到队列中，然后在将来的某个时刻通知到对方去处理数据，从而做到关注点分离，生产者只管生产数据和通知消费者，而消费者则只管处理对应的事件及其对应的数据，而Node.js流模式刚好符合这一特点。

那么Node.js流是怎样实现基于EventEmitter创建实例的呢？

这部分源码在这儿：stream/legacy
https://github.com/nodejs/node/blob/d5e94fa7121c9d424588f0e1a388f8c72c784622/lib/internal/streams/legacy.js#L10

legacy

function Stream(opts) {
  EE.call(this, opts);
}
ObjectSetPrototypeOf(Stream.prototype, EE.prototype);
ObjectSetPrototypeOf(Stream, EE);

然后在可读流的源码中有这么几行代码：

这部分源码在这儿：readable
https://github.com/nodejs/node/blob/d5e94fa7121c9d424588f0e1a388f8c72c784622/lib/internal/streams/readable.js#L77

legacy

ObjectSetPrototypeOf(Readable.prototype, Stream.prototype);
ObjectSetPrototypeOf(Readable, Stream);

首先将Stream的原型对象继承自EventEmitter，这样Stream的所有实例都可以访问到EventEmitter上的方法。

同时通过ObjectSetPrototypeOf(Stream, EE)将EventEmitter上的静态方法也继承过来,并在Stream的构造函数中，借用构造函数EE来实现所有EventEmitter中的属性的继承，然后在可读流里，用同样的的方法实现对Stream类的原型继承和静态属性继承，从而得到：

Readable.prototype.__proto__ === Stream.prototype;

Stream.prototype.__proto__ === EE.prototype

因此：

Readable.prototype.__proto__.__proto__ === EE.prototype

所以捋着可读流的原型链可以找到EventEmitter的原型，实现对EventEmitter的继承

2.4. 相关API的实现

这里会按照源码文档中API的出现顺序来展示，且仅解读其中的核心API实现。

注：此处仅解读Node.js可读流源码中所声明的函数，不包含外部引入的函数定义，同时为了减少篇幅，不会将所有代码都拷贝下来。

Readable.prototype

Stream {
  destroy: [Function: destroy],
  _undestroy: [Function: undestroy],
  _destroy: [Function (anonymous)],
  push: [Function (anonymous)],
  unshift: [Function (anonymous)],
  isPaused: [Function (anonymous)],
  setEncoding: [Function (anonymous)],
  read: [Function (anonymous)],
  _read: [Function (anonymous)],
  pipe: [Function (anonymous)],
  unpipe: [Function (anonymous)],
  on: [Function (anonymous)],
  addListener: [Function (anonymous)],
  removeListener: [Function (anonymous)],
  off: [Function (anonymous)],
  removeAllListeners: [Function (anonymous)],
  resume: [Function (anonymous)],
  pause: [Function (anonymous)],
  wrap: [Function (anonymous)],
  iterator: [Function (anonymous)],
  [Symbol(nodejs.rejection)]: [Function (anonymous)],
  [Symbol(Symbol.asyncIterator)]: [Function (anonymous)]
}

2.4.1. push

readable.push

Readable.prototype.push = function(chunk, encoding) {
  return readableAddChunk(this, chunk, encoding, false);
};

push方法的主要作用就是将数据块通过触发'data'事件传递给下游管道，或者将数据存储到自身的缓冲区中。

以下代码为相关伪代码，仅展示主流程：

readable.push

function readableAddChunk(stream, chunk, encoding, addToFront) {
  const state = stream.\_readableState;
  if (chunk === null) { // push null 流结束信号，之后不能再写入数据
    state.reading = false;
    onEofChunk(stream, state);
  } else if (!state.objectMode) { // 如果不是对象模式
    if (typeof chunk === 'string') {
      chunk = Buffer.from(chunk);
    } else if (chunk instanceof Buffer) { //如果是Buffer
    // 处理一下编码
    } else if (Stream.\_isUint8Array(chunk)) {
      chunk = Stream.\_uint8ArrayToBuffer(chunk);
    } else if (chunk != null) {
      err = new ERR\_INVALID\_ARG\_TYPE('chunk', ['string', 'Buffer', 'Uint8Array'], chunk);
    }
  }

  if (state.objectMode || (chunk && chunk.length > 0)) { // 是对象模式或者chunk是Buffer
    // 这里省略几种数据的插入方式的判断
    addChunk(stream, state, chunk, true);
  }
}

function addChunk(stream, state, chunk, addToFront) {
  if (state.flowing && state.length === 0 && !state.sync &&
    stream.listenerCount('data') > 0) { // 如果处于流动模式，有监听data的订阅者
      stream.emit('data', chunk);
  } else { // 否则保存数据到缓冲区中
    state.length += state.objectMode ? 1 : chunk.length;
    if (addToFront) {
      state.buffer.unshift(chunk);
    } else {
      state.buffer.push(chunk);
    }
  }
  maybeReadMore(stream, state); // 尝试多读一点数据
}

push操作主要分为对objectMode的判断，不同的类型对传入的数据会做不同的操作：

• objectMode === false: 将数据（chunk）转换成Buffer
• objectMode === true: 将数据原封不动的传递给下游

其中addChunk的第一个判断主要是处理Readable处于流动模式、有data监听器、并且缓冲区数据为空时的情况。

这时主要将数据passthrough透传给订阅了data事件的其他程序，否则就将数据保存到缓冲区里面。

2.4.2. read

除去对边界条件的判断、流状态的判断，这个方法主要有两个操作

• 调用用户实现的_read方法，对执行结果进行处理

• 从缓冲区buffer中读取数据，并触发'data'事件

readable.read

// 如果read的长度大于hwm，则会重新计算hwm
if (n > state.highWaterMark) {
  state.highWaterMark = computeNewHighWaterMark(n);  
}
// 调用用户实现的\_read方法
try {
  const result = this.\_read(state.highWaterMark);
  if (result != null) {
    const then = result.then;
    if (typeof then === 'function') {
      then.call(
        result,
        nop,
        function(err) {
          errorOrDestroy(this, err);
        });
    }
  }
} catch (err) {
  errorOrDestroy(this, err);
}

如果说用户实现的_read方法返回的是一个promise，则调用这个promise的then方法，将成功和失败的回调传入，便于处理异常情况。

read方法从缓冲区里读区数据的核心代码如下：

readable.read

function fromList(n, state) {
  // nothing buffered.
  if (state.length === 0)
    return null;
  let ret;
  if (state.objectMode)
    ret = state.buffer.shift();
  else if (!n || n >= state.length) { // 处理n为空或者大于缓冲区的长度的情况
    // Read it all, truncate the list.
    if (state.decoder) // 有解码器，则将结果序列化为字符串
      ret = state.buffer.join('');
    else if (state.buffer.length === 1) // 只有一个数据，返回头节点数据
      ret = state.buffer.first();
    else // 将所有数据存储到一个Buffer中
      ret = state.buffer.concat(state.length);
    state.buffer.clear(); // 清空缓冲区
  } else {
    // 处理读取长度小于缓冲区的情况
    ret = state.buffer.consume(n, state.decoder);
  }
  return ret;
}

2.4.3. _read

用户初始化Readable stream时必须实现的方法，可以在这个方法里调用push方法，从而持续的触发read方法，当我们push null时可以停止流的写入操作。

示例代码：

readable._read

const Stream = require('stream');
const readableStream = new Stream.Readable({
  read(hwm) {
    this.push(String.fromCharCode(this.currentCharCode++));
    if (this.currentCharCode > 122) {
      this.push(null);
    }
  },
});
readableStream.currentCharCode = 97;
readableStream.pipe(process.stdout);
// abcdefghijklmnopqrstuvwxyz%

2.4.4. pipe（重要）

将一个或多个writable流绑定到当前的Readable流上，并且将Readable流切换到流动模式。

这个方法里面有很多的事件监听句柄，这里不会一一介绍：

readable.pipe

Readable.prototype.pipe = function(dest, pipeOpts) {
  const src = this;
  const state = this.\_readableState;
  state.pipes.push(dest); // 收集Writable流

  src.on('data', ondata);
  function ondata(chunk) {
    const ret = dest.write(chunk);
    if (ret === false) {
      pause();
    }
  }
  // Tell the dest that it's being piped to.
  dest.emit('pipe', src);
  // 启动流，如果流处于暂停模式
  if (dest.writableNeedDrain === true) {
    if (state.flowing) {
      pause();
    }
  } else if (!state.flowing) {
    src.resume();
  }
  return dest;
}

pipe操作和Linux的管道操作符'|'非常相似，将左侧输出变为右侧输入，这个方法会将可写流收集起来进行维护，并且当可读流触发'data'事件。

有数据流出时，就会触发可写流的写入事件，从而做到数据传递，实现像管道一样的操作。并且会自动将处于暂停模式的可读流变为流动模式。

2.4.5. resume

使流从'暂停'模式切换到'流动'模式，如果设置了'readable'事件监听，那么这个方法其实是没有效果的

readable.resume

Readable.prototype.resume = function() {
  const state = this._readableState;
  if (!state.flowing) {
    state.flowing = !state.readableListening; // 是否处于流动模式取决于是否设置了'readable'监听句柄
    resume(this, state);
  }
};

function resume(stream, state) {
  if (!state.resumeScheduled) { // 开关，使resume_方法仅在同一个Tick中调用一次
    state.resumeScheduled = true;
    process.nextTick(resume_, stream, state);
  }
}

function resume_(stream, state) {
  if (!state.reading) {
    stream.read(0);
  }
  state.resumeScheduled = false;
  stream.emit('resume');
  flow(stream);
}

function flow(stream) { // 当流处于流模式该方法会不断的从buffer中读取数据，直到缓冲区为空
  const state = stream._readableState;
  while (state.flowing && stream.read() !== null); 
  // 因为这里会调用read方法，设置了'readable'事件监听器的stream，也有可能会调用read方法，
  //从而导致数据不连贯（不影响data，仅影响在'readable'事件回调中调用read方法读取数据）
}

2.4.6. pause

将流从流动模式转变为暂停模式，停止触发'data'事件，将所有的数据保存到缓冲区

readable.pause

Readable.prototype.pause = function() {
  if (this._readableState.flowing !== false) {
    debug('pause');
    this._readableState.flowing = false;
    this.emit('pause');
  }
  return this;
};

2.5. 使用方法与工作机制

使用方法在BufferList部分已经讲过了，创建一个Readable实例，并实现其_read()方法，或者在构造函数的第一个对象参数中实现read方法。

2.5.1. 工作机制

这里只画了大致的流程，以及Readable流的模式转换触发条件。

其中：

• needReadable(true): 一時停止モードおよびバッファ データ
• push : フロー モードの場合、バッファーにデータがない場合、「data」イベントがトリガーされます; それ以外の場合、データはバッファーに保存され、needReadable ステータスに従って「readable」イベントがトリガーされます。
##read: バッファー内の length=0 のデータを読み取るとき データが hwm に達したか、オーバーフローしたため、「readable」イベントをトリガーする必要があります。バッファーからデータを読み取り、「data」イベントをトリガーします
• resume: 「読み取り可能な」リスナーがある場合、このメソッドは機能しません。それ以外の場合、ストリームは一時停止モードからフロー モードに変わり、バッファ内のデータはクリアされます。
• readableトリガー条件: 「readable」イベントがバインドされており、バッファーにデータがあり、データをプッシュするときにバッファーにデータがあり、needReadable == = true、length=0 でデータを読み取るときに、バッファー内のデータが到達したhwm またはオーバーフロー

3. 概要

Node. メモリの問題と時間の問題を解決するために、js は独自のストリームを実装します。消費者向けにデータを分割してメモリに読み込むことができるということです。
• ストリームは Node.js に固​​有の概念ではありません。ストリームは数十年前に Unix オペレーティング システムに導入されました。ストリームには 4 種類あります。 : 読み取り可能ストリーム、書き込み可能ストリーム、読み取り可能および書き込み可能ストリーム、および変換ストリーム。これらはすべて EventEmiiter のインスタンスを継承します。メソッドと静的メソッドは両方とも EE
• ストリームの基礎となるコンテナーは BufferList に基づいています。カスタム リンク リストの実装であり、最初と最後に次のノード参照を指す「ポインター」が付いています
• 読み取り可能なストリームには 2 つのモードと 3 つの状態があります。フロー モードでは、データは EventEmitter を通じてコン​​シューマに送信されます
• ストリームに基づいて、データの連鎖処理を実装し、さまざまなデータを組み立てることができます。ストリーム処理関数は、ストリーム上でさまざまな操作を実装し、必要なデータに変換するために使用されます。
• ノード関連の知識の詳細については、
nodejs チュートリアル

を参照してください。

以上がストリームとは何ですか? Node.js の読み取り可能なストリームの詳細の詳細内容です。詳細については、PHP 中国語 Web サイトの他の関連記事を参照してください。