深入理解 Node Stream 内部机制

相信很多人对 Node 的 Stream 已经不陌生了，不论是请求流、响应流、文件流还是 socket 流，这些流的底层都是使用 stream 模块封装的，甚至我们平时用的最多的 console.log 打印日志也使用了它，不信你打开 Node runtime 的源码，看看 lib/console.js：

  1. function write(ignoreErrors, stream, string, errorhandler) {
  2.   // ...
  3.   stream.once('error', noop);
  4.   stream.write(string, errorhandler);
  5.   //...
  6. }
  8. Console.prototype.log = function log(...args) {
  9.   write(this._ignoreErrors,
  10.         this._stdout,
  11.         `${util.format.apply(null, args)}\n`,
  12.         this._stdoutErrorHandler);
  13. };

Stream 模块做了很多事情，了解了 Stream，那么 Node 中其他很多模块理解起来就顺畅多了。

本文代码和图片可以在这里取用：https://github.com/barretlee/dive-into-node-stream。

stream 模块

如果你了解 生产者和消费者问题 的解法，那理解 stream 就基本没有压力了，它不仅仅是资料的起点和落点，还包含了一系列状态控制，可以说一个 stream 就是一个状态管理单元。了解内部机制的最佳方式除了看 Node 官方文档，还可以去看看 Node 的 源码：

  • lib/module.js
  • lib/_stream_readable.js
  • lib/_stream_writable.js
  • lib/_stream_tranform.js
  • lib/_stream_duplex.js

把 Readable 和 Writable 看明白，Tranform 和 Duplex 就不难理解了。

Readable Stream

Readable Stream 存在两种模式，一种是叫做 Flowing Mode，流动模式，在 Stream 上绑定 ondata 方法就会自动触发这个模式，比如：

  1. const readable = getReadableStreamSomehow();
  2. readable.on('data', (chunk) => {
  3.   console.log(`Received ${chunk.length} bytes of data.`);
  4. });

这个模式的流程图如下：

流机制 - 图1

资源的数据流并不是直接流向消费者，而是先 push 到缓存池，缓存池有一个水位标记 highWatermark，超过这个标记阈值，push 的时候会返回 false，什么场景下会出现这种情况呢？

  • 消费者主动执行了 .pause()
  • 消费速度比数据 push 到缓存池的生产速度慢

有个专有名词来形成这种情况，叫做「背压」，Writable Stream 也存在类似的情况。

流动模式，这个名词还是很形象的，缓存池就像一个水桶，消费者通过管口接水，同时，资源池就像一个水泵，不断地往水桶中泵水，而 highWaterMark 是水桶的浮标，达到阈值就停止蓄水。下面是一个简单的 Demo：

  1. const Readable = require('stream').Readable;
  3. // Stream 实现
  4. class MyReadable extends Readable {
  5.   constructor(dataSource, options) {
  6.     super(options);
  7.     this.dataSource = dataSource;
  8.   }
  9.   // 继承了 Readable 的类必须实现这个函数
  10.   // 触发系统底层对流的读取
  11.   _read() {
  12.     const data = this.dataSource.makeData();
  13.     this.push(data);
  14.   }
  15. }
  17. // 模拟资源池
  18. const dataSource = {
  19.   data: new Array(10).fill('-'),
  20.   // 每次读取时 pop 一个数据
  21.   makeData() {
  22.     if (!dataSource.data.length) return null;
  23.     return dataSource.data.pop();
  24.   }
  25. };
  27. const myReadable = new MyReadable(dataSource);
  28. myReadable.setEncoding('utf8');
  29. myReadable.on('data', (chunk) => {
  30.   console.log(chunk);
  31. });

另外一种模式是 Non-Flowing Mode，没流动，也就是暂停模式，这是 Stream 的预设模式，Stream 实例的 _readableState.flow 有三个状态，分别是：

  • _readableState.flow = null，暂时没有消费者过来
  • _readableState.flow = false，主动触发了 .pause()
  • _readableState.flow = true，流动模式

当我们监听了 onreadable 事件后，会进入这种模式，比如：

  1. const myReadable = new MyReadable(dataSource);
  2. myReadable.setEncoding('utf8');
  3. myReadable.on('readable', () => {});

监听 readable 的回调函数第一个参数不会传递内容，需要我们通过 myReadable.read() 主动读取，为啥呢，可以看看下面这张图：

流机制 - 图2

资源池会不断地往缓存池输送数据，直到 highWaterMark 阈值，消费者监听了 readable 事件并不会消费数据，需要主动调用 .read([size]) 函数才会从缓存池取出，并且可以带上 size 参数，用多少就取多少：

  1. const myReadable = new MyReadable(dataSource);
  2. myReadable.setEncoding('utf8');
  3. myReadable.on('readable', () => {
  4.   let chunk;
  5.   while (null !== (chunk = myReadable.read())) {
  6.     console.log(`Received ${chunk.length} bytes of data.`);
  7.   }
  8. });

这里需要注意一点，只要数据达到缓存池都会触发一次 readable 事件，有可能出现「消费者正在消费数据的时候，又触发了一次 readable 事件，那么下次回调中 read 到的数据可能为空」的情况。我们可以通过 _readableState.buffer 来查看缓存池到底缓存了多少资源：

  1. let once = false;
  2. myReadable.on('readable', (chunk) => {
  3.   console.log(myReadable._readableState.buffer.length);
  4.   if (once) return;
  5.   once = true;
  6.   console.log(myReadable.read());
  7. });

上面的代码我们只消费一次缓存池的数据，那么在消费后，缓存池又收到了一次资源池的 push 操作，此时还会触发一次 readable 事件，我们可以看看这次存了多大的 buffer。

需要注意的是，buffer 大小也是有上限的，默认设置为 16kb，也就是 16384 个字节长度，它最大可设置为 8Mb，没记错的话，这个值好像是 Node 的 new space memory 的大小。

上面介绍了 Readable Stream 大概的机制，还有很多细节部分没有提到，比如 Flowing Mode 在不同 Node 版本中的 Stream 实现不太一样，实际上，它有三个版本，上面提到的是第 2 和 第 3 个版本的实现；再比如 Mixins Mode 模式，一般我们只推荐（允许）使用 ondata 和 onreadable 的一种来处理 Readable Stream，但是如果要求在 Non-Flowing Mode 的情况下使用 ondata 如何实现呢？那么就可以考虑 Mixins Mode 了。

Writable Stream

原理与 Readable Stream 是比较相似的，数据流过来的时候，会直接写入到资源池，当写入速度比较缓慢或者写入暂停时，数据流会进入队列池缓存起来，如下图所示：

流机制 - 图3

当生产者写入速度过快，把队列池装满了之后，就会出现「背压」，这个时候是需要告诉生产者暂停生产的，当队列释放之后，Writable Stream 会给生产者发送一个 drain 消息，让它恢复生产。下面是一个写入一百万条数据的 Demo：

  1. function writeOneMillionTimes(writer, data, encoding, callback) {
  2.   let i = 10000;
  3.   write();
  4.   function write() {
  5.     let ok = true;
  6.     while(i-- > 0 && ok) {
  7.       // 写入结束时回调
  8.       ok = writer.write(data, encoding, i === 0 ? callback : null);
  9.     }
  10.     if (i > 0) {
  11.       // 这里提前停下了，'drain' 事件触发后才可以继续写入  
  12.       console.log('drain', i);
  13.       writer.once('drain', write);
  14.     }
  15.   }
  16. }

我们构造一个 Writable Stream，在写入到资源池的时候，我们稍作处理，让它效率低一点：

  1. const Writable = require('stream').Writable;
  2. const writer = new Writable({
  3.   write(chunk, encoding, callback) {
  4.     // 比 process.nextTick() 稍慢
  5.     setTimeout(() => {
  6.       callback && callback();
  7.     });
  8.   }
  9. });
  11. writeOneMillionTimes(writer, 'simple', 'utf8', () => {
  12.   console.log('end');
  13. });

最后执行的结果是：

  1. drain 7268
  2. drain 4536
  3. drain 1804
  4. end

说明程序遇到了三次「背压」，如果我们没有在上面绑定 writer.once('drain')，那么最后的结果就是 Stream 将第一次获取的数据消耗完变结束了程序。

pipe

了解了 Readable 和 Writable，pipe 这个常用的函数应该就很好理解了，

  1. readable.pipe(writable);

这句代码的语意性很强，readable 通过 pipe（管道）传输给 writable，pipe 的实现大致如下（伪代码）：

  1. Readable.prototype.pipe = function(writable, options) {
  2.   this.on('data', (chunk) => {
  3.     let ok = writable.write(chunk);
  4. true// 背压，暂停
  5.     !ok && this.pause();
  6.   });
  7.   writable.on('drain', () => {
  8.     // 恢复
  9.     this.resume();
  10.   });
  11.   // 告诉 writable 有流要导入
  12.   writable.emit('pipe', this);
  13.   // 支持链式调用
  14.   return writable;
  15. };

上面做了五件事情：

  • emit(pipe)，通知写入
  • .write()，新数据过来，写入
  • .pause()，消费者消费速度慢，暂停写入
  • .resume()，消费者完成消费，继续写入
  • return writable，支持链式调用

当然，上面只是最简单的逻辑，还有很多异常和临界判断没有加入，具体可以去看看 Node 的代码（ /lib/_stream_readable.js）。

Duplex Stream

Duplex，双工的意思，它的输入和输出可以没有任何关系，

流机制 - 图4

Duplex Stream 实现特别简单，不到一百行代码，它继承了 Readable Stream，并拥有 Writable Stream 的方法（源码地址）：

  1. const util = require('util');
  2. const Readable = require('_stream_readable');
  3. const Writable = require('_stream_writable');
  5. util.inherits(Duplex, Readable);
  7. var keys = Object.keys(Writable.prototype);
  8. for (var v = 0; v < keys.length; v++) {
  9.   var method = keys[v];
  10.   if (!Duplex.prototype[method])
  11.     Duplex.prototype[method] = Writable.prototype[method];
  12. }

我们可以通过 options 参数来配置它为只可读、只可写或者半工模式，一个简单的 Demo：

  1. var Duplex = require('stream').Duplex
  3. const duplex = Duplex();
  5. // readable
  6. let i = 2;
  7. duplex._read = function () {
  8.   this.push(i-- ? 'read ' + i : null);
  9. };
  10. duplex.on('data', data => console.log(data.toString()));
  12. // writable
  13. duplex._write = function (chunk, encoding, callback) {
  14.   console.log(chunk.toString());
  15.   callback();
  16. };
  17. duplex.write('write');

输出的结果为：

  1. write
  2. read 1
  3. read 0

可以看出，两个管道是相互之间不干扰的。

Transform Stream

Transform Stream 集成了 Duplex Stream，它同样具备 Readable 和 Writable 的能力，只不过它的输入和输出是存在相互关联的，中间做了一次转换处理。常见的处理有 Gzip 压缩、解压等。

流机制 - 图5

Transform 的处理就是通过 _transform 函数将 Duplex 的 Readable 连接到 Writable，由于 Readable 的生产效率与 Writable 的消费效率是一样的，所以这里 Transform 内部不存在「背压」问题，背压问题的源头是外部的生产者和消费者速度差造成的。

关于 Transfrom Stream，我写了一个简单的 Demo：

  1. const Transform = require('stream').Transform;
  2. const MAP = {
  3.   'Barret': '靖',
  4.   'Lee': '李'
  5. };
  7. class Translate extends Transform {
  8.   constructor(dataSource, options) {
  9.     super(options);
  10.   }
  11.   _transform(buf, enc, next) {
  12.     const key = buf.toString();
  13.     const data = MAP[key];
  14.     this.push(data);
  15.     next();
  16.   }
  17. }
  19. var transform = new Translate();
  20. transform.on('data', data => console.log(data.toString()));
  21. transform.write('Lee');
  22. transform.write('Barret');
  23. transform.end();

小结

本文主要参考和查阅 Node 官网的文档和源码，细节问题都是从源码中找到的答案，如有理解不准确之处，还请斧正。关于 Stream，这篇文章只是讲述了基础的原理，还有很多细节之处没有讲到，要真正理解它，还是需要多读读文档，写写代码。

了解了这些 Stream 的内部机制，对我们后续深入理解上层代码有很大的促进作用，特别希望初学 Node 的同学花点时间进来看看。

另外，本文代码和图片可以在这里取用：https://github.com/barretlee/dive-into-node-stream。