极简 Node.js 入门 – 4.3 可读流

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极简 Node.js 入门 – 4.3 可读流

极简 Node.js 入门系列教程: https://www.yuque.com/sunluyong/node

本文更佳阅读体验: https://www.yuque.com/sunluyong/node/readable

可读流是 生产数据
用来供程序消费的流。常见的数据生产方式有读取磁盘文件、读取网络请求内容等,看一下前面介绍什么是流用的例子:

const rs = fs.createReadStream(filePath);

rs 就是一个可读流,其生产数据的方式是读取磁盘的文件,控制台 process.stdin 也是一个可读流:

process.stdin.pipe(process.stdout);

通过简单的一句话可以把控制台的输入打印出来,process.stdin 生产数据的方式是读取用户在控制台的输入。

回头再看一下对可读流的定义: 可读流是生产数据用来供程序消费的流

自定义可读流

除了系统提供的_** fs.CreateReadStream**_ 使用过 gulp 或者 vinyl-fs 提供的 src 方法时候也在使用可读流

gulp.src(['*.js', 'dist/**/*.scss'])

如果希望自己以某种特定的方式生产数据,交给程序消费,那么改如何开始呢?

简单两步即可

  1. 继承 sream 模块的
    Readable

  2. 重写
    _ read

    方法,调用
    this.push

    将生产的数据放入待读取队列

Readable 类已经把可读流要做的大部分工作完成,只需要继承它,然后把生产数据的方式写在 _read 方法里就可以实现一个自定义的可读流。

举个例子:实现一个每 100 毫秒生产一个随机数的流(没什么用处)

const Readable = require('stream').Readable;
class RandomNumberStream extends Readable {
constructor(max) {
super()
}
_read() {
const ctx = this;
setTimeout(() => {
const randomNumber = parseInt(Math.random() * 10000);
// 只能 push 字符串或 Buffer,为了方便显示打一个回车
ctx.push(`${randomNumber}\n`);
}, 100);
}
}
module.exports = RandomNumberStream;

类继承部分代码很简单,主要看一下 _read 方法的实现,有几个值得注意的地方

  1. Readable 类中默认有 _read 方法的实现,不过什么都没有做,我们做的是覆盖重写
  2. _read 方法有一个参数 size,用来向 read 方法指定应该读取多少数据返回,不过只是一个参考数据,很多实现忽略此参数,我们这里也忽略了,后面会详细提到
  3. 通过 this.push 向缓冲区推送数据,缓冲区概念后面会提到,暂时理解为挤到了水管中可消费了
  4. push 的内容只能是字符串或者 Buffer,不能是数字
  5. push 方法有第二个参数 encoding,用于第一个参数是字符串时指定 encoding

执行一下看看效果

const RandomNumberStream = require('./RandomNumberStream');
const rns = new RandomNumberStream();
rns.pipe(process.stdout);

这样可以看到数字源源不断的显示到了控制台上,实现了一个产生随机数的可读流,还有几个小问题待解决

如何停下来

每隔 100 毫秒向缓冲区推送一个数字,那么就像读取一个本地文件总有读完的时候,如何停下来标识数据读取完毕?

向缓冲区 push 一个 null 就可以,修改一下代码,允许消费者定义需要多少个随机数字:

const Readable = require('stream').Readable;
class RandomNumberStream extends Readable {
constructor(max) {
super()
this.max = max;
}
_read() {
const ctx = this;
setTimeout(() => {
if (ctx.max) {
const randomNumber = parseInt(Math.random() * 10000);
// 只能 push 字符串或 Buffer,为了方便显示打一个回车
ctx.push(`${randomNumber}\n`);
ctx.max -= 1;
} else {
ctx.push(null);
}
}, 100);
}
}
module.exports = RandomNumberStream;

代码中使用了一个 max 的标识,允许消费者指定需要的字符数,在实例化的时候指定即可

const RandomNumberStream = require('./RandomNumberStream');
const rns = new RandomNumberStream(5);
rns.pipe(process.stdout);

这样可以看到控制台只打印了 5 个字符

为什么是 setTimeout 而不是 setInterval

细心的同学可能注意到,每隔 100 毫秒生产一个随机数并不是调用的 setInterval,而是使用的 setTimeout,为什么仅仅是延时了一下并没有重复生产,结果却是正确的呢?

这就需要了解流的两种工作方式

  1. 流动模式:数据由底层系统读出,并尽可能快地提供给应用程序
  2. 暂停模式:必须显示地调用 read() 方法来读取若干数据块

流在默认状态下是处于暂停模式的,也就是需要程序显式的调用 read() 方法,可上面例子中并没有调用就可以得到数据,因为流通过 pipe() 方法切换成了流动模式,这样 _read() 方法会自动被反复调用,直到数据读取完毕,所以每次 _read() 方法里面只需要读取一次数据即可

流动模式和暂停模式切换

流从默认的暂停模式切换到流动模式可以使用以下几种方式:

  1. 通过添加 data 事件监听器来启动数据监听
  2. 调用 resume() 方法启动数据流
  3. 调用 pipe() 方法将数据转接到另一个可写流

从流动模式切换为暂停模式又两种方法:

  1. 在流没有 pipe() 时,调用 pause() 方法可以将流暂停
  2. pipe() 时移除所有 data 事件的监听,再调用 unpipe() 方法

data 事件

使用了 pipe() 方法后数据就从可读流进入了可写流,但对用户好像是个黑盒,数据究竟是怎么流向的呢?切换流动模式和暂停模式的时候有两个重要的名词

  1. 流动模式对应的 data 事件
  2. 暂停模式对应的 read() 方法

这两个机制是程序能够驱动数据流动的原因,先来看一下流动模式 data 事件,一旦监听了可读流的 data 事件,流就进入了流动模式,可以改写一下上面调用流的代码

const RandomNumberStream = require('./RandomNumberStream');
const rns = new RandomNumberStream(5);
rns.on('data', chunk => {
console.log(chunk);
});

这样可以看到控制台打印出了类似下面的结果

<Buffer 39 35 37 0a>
<Buffer 31 30 35 37 0a>
<Buffer 38 35 31 30 0a>
<Buffer 33 30 35 35 0a>
<Buffer 34 36 34 32 0a>

当可读流生产出可供消费的数据后就会触发 data 事件,data 事件监听器绑定后,数据会被尽可能地传递。data 事件的监听器可以在第一个参数收到可读流传递过来的 Buffer 数据,这也就是控制台打印的 chunk,如果想显示为数字,可以调用 Buffer 的 toString() 方法

当数据处理完成后还会触发一个
end

事件,因为流的处理不是同步调用,所以如果希望完事后做一些事情就需要监听这个事件,在代码最后追加一句:

rns.on('end', () => {
console.log('done');
});

这样可以在数据接收完了显示 done
,当然数据处理过程中出现了错误会触发 error
事件,可以监听做异常处理:

rns.on('error', (err) => {
console.log(err);
});

read(size)

流在暂停模式下需要程序显式调用 read() 方法才能得到数据,read() 方法会从内部缓冲区中拉取并返回若干数据,当没有更多可用数据时,会返回null

使用 read() 方法读取数据时,如果传入了 size 参数,那么它会返回指定字节的数据;当指定的size字节不可用时,则返回null。如果没有指定size参数,那么会返回内部缓冲区中的所有数据

现在有一个矛盾,在流动模式下流生产出了数据,然后触发 data 事件通知给程序,这样很方便。在暂停模式下需要程序去读取,那么就有一种可能是读取的时候还没生产好,如果使用轮询的方式未免效率有些低

NodeJS 提供了一个
readable

的事件,事件在可读流准备好数据的时候触发,也就是先监听这个事件,收到通知有数据了再去读取就好了:

const rns = new RandomNumberStream(5);
rns.on('readable', () => {
let chunk;
while((chunk = rns.read()) !== null){
console.log(chunk);
}
});

这样可以读取到数据,值得注意的一点是并不是每次调用 read() 方法都可以返回数据,前面提到了如果可用的数据没有达到 size 那么返回 null,所以在程序中加了个判断

数据会不会漏掉

const stream = fs.createReadStream('/dev/input/event0');
stream.on('readable', callback);

在流动模式会不会有这样的问题:可读流在创建好的时候就生产数据了,如果在绑定 readable 事件之前就生产了某些数据,触发了 readable 事件,在极端情况下会造成数据丢失吗?

事实并不会,按照 NodeJS event loop 程序创建流和调用事件监听在一个事件队列里面,生产数据和事件监听都是异步操作,而 on 监听事件使用了 process.nextTick
会保证在数据生产之前被绑定好,相关知识可以看 定时器章节
中对 event loop 的解读

到这里可能对 data事件、readable事件触发时机, read() 方法每次读多少数据,什么时候返回 null 还有一定的疑问,在后续可写流章节会在 back pressure 部分结合源码介绍相关机制

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