• gulp源码解析(一)—— Stream详解


    作为前端,我们常常会和 Stream 有着频繁的接触。比如使用 gulp 对项目进行构建的时候,我们会使用 gulp.src 接口将匹配到的文件转为 stream(流)的形式,再通过 .pipe() 接口对其进行链式加工处理;

    或者比如我们通过 http 模块创建一个 HTTP 服务:

    const http = require('http');
    http.createServer( (req, res) => {
      //...
    }).listen(3000);

    此处的 req 和 res 也属于 Stream 的消费接口(前者为 Readable Stream,后者为 Writable Stream)

    事实上像上述的 req/res,或者 process.stdout 等接口都属于 Stream 的实例,因此较少存在情况,是需要我们手动引入 Stream 模块的,例如:

    //demo1.js
    'use strict';
    const Readable = require('stream').Readable;
    const rs = Readable();
    const s = 'VaJoy';
    const l = s.length;
    let i = 0;
    rs._read = ()=>{
        if(i == l){
            rs.push(' is my name');
            return rs.push(null)
        }
        rs.push(s[i++])
    };
    rs.pipe(process.stdout);

    如果不太能读懂上述代码,或者对 Stream 的概念感到模糊,那么可以放轻松,因为本文会进一步地对 Stream 进行剖析,并且谈谈直接使用它可能会存在的一些问题(这也是为何 gulp 要使用 through2 的原因)

    另外本文的示例均可在我的 github 仓库https://github.com/VaJoy/stream/获取到,读者可以自行下载和调试。

    一. Stream的作用

    在介绍 Stream(流)之前,我们先来看一个例子 —— 模拟服务器把本地某个文件内容吐给客户端:

    //demo2
    var http = require('http');
    var fs = require('fs');
    
    var server = http.createServer(function (req, res) {
        fs.readFile(__dirname + '/data.txt', function (err, data) {
            res.end(data);
        });
    });
    server.listen(3000);

    这段代码虽然可以正常执行,但存在一个显著的问题 —— 对于每一个客户端的请求,fs.readFile 接口都会把整个文件都缓存到内存中去,然后才开始把数据吐给用户。那么当文件体积很大、请求也较多(且特别当请求来自慢速用户)的时候,服务器需要消耗很大的内存,导致性能低下。

    然而这个问题,则正是 stream 发挥所长的地方。如前文提及的,res 是流对象,那我们正好可以将其利用起来:

    var server2 = http.createServer(function (req, res) {
        var stream = fs.createReadStream(__dirname + '/data.txt');
        stream.pipe(res);
    });
    server2.listen(4000);

    在上方代码段里,fs.createReadStream 创建了 data.txt 的可读流(Readable Stream)。这里需要事先了解的是,流可以简单地分为“可读的(readable)”、“可写的(writable)”,或者“读写均可”三种类型,且所有的流都属于 EventEmitter 的实例

    回到代码,对于创建的可读流,我们通过 .pipe() 接口来监听其 dataend 事件,并把 data.txt (的可读流)拆分成一小块一小块的数据(chunks),像流水一样源源不断地吐给客户端,而不再需要等待整个文件都加载到内存后才发送数据。

    其中 .pipe 可以视为流的“管道/通道”方法,任何类型的流都会有这个 .pipe 方法去成对处理流的输入与输出。

    为了方便理解,我们把上述两种方式(不使用流/使用流)处理为如下的情景(卧槽我好好一个前端为啥要P这么萌的图)

    ⑴ 不使用流:

    ⑵ 使用流:

    由此可以得知,使用流(stream)的形式,可以大大提升响应时间,又能有效减轻服务器内存的压力。

    二. Stream的分类

    在上文我们曾提及到,stream 可以按读写权限来简单地分做三类,不过这里我们再细化下,可以把 stream 归为如下五个类别:

    ⑴ Readable Streams
    ⑵ Writable Streams
    ⑶ Transform Streams
    ⑷ Duplex Streams
    ⑸ Classic Streams

    其中 Transform Streams 和 Duplex Streams 都属于即可读又可写的流,而最后一个 Classic Streams 是对 Node 古早版本上的 Stream 的一个统称。我们将照例对其进行逐一介绍。

    2.1 Readable Streams

    即可读流,通过 .pipe 接口可以将其数据传递给一个 writable、transform 或者 duplex流:

    readableStream.pipe(dst)

    常见的 Readable Streams 包括:

    • 客户端上的 HTTP responses
    • 服务端上的 HTTP requests
    • fs read streams
    • zlib streams
    • crypto streams
    • TCP sockets
    • 子进程的 stdout 和 stderr
    • process.stdin

    例如在前面 demo2 的代码段中,我们就使用了 fs.createReadStream 接口来创建了一个 fs read stream:

    var server2 = http.createServer(function (req, res) {
        var stream = fs.createReadStream(__dirname + '/data.txt');
        stream.pipe(res);
    });
    server2.listen(4000);

    这里有个有趣的地方 —— 虽然 Readable Streams 称为可读流,但在将其传入一个消耗对象之前,它都是可写的:

    var Readable = require('stream').Readable;
    
    var rs = new Readable;
    rs.push('servers ');
    rs.push('are listening on
    ');
    rs.push('3000 and 4000
    ');
    rs.push(null);
    
    rs.pipe(process.stdout);

    执行结果:

    在这段代码中,我们通过 readStream.push(data) 的形式往可读流里注入数据,并以 readStream.push(null) 来结束可读流。

    不过这种写法有个弊端 —— 从使用 .push() 将数据注入 readable 流中开始,直到另一个东西(process.stdout)来消耗数据之前,这些数据都会存在缓存中。

    这里有个内置接口 ._read()  可以用来处理这个问题,它是从系统底层开始读取数据流时才会不断调用自身,从而减少缓存冗余。

    我们可以回过头来看 demo1 的例子:

    'use strict';
    const Readable = require('stream').Readable;
    const rs = Readable();
    const s = 'VaJoy';
    const l = s.length;
    let i = 0;
    rs._read = ()=>{
        if(i == l){
            rs.push(' is my name');
            return rs.push(null)
        }
        rs.push(s[i++])
    };
    rs.pipe(process.stdout);

    我们是在 ._read 方法中才使用 readStream.push(data) 往可读流里注入数据供下游消耗(也会流经缓存),从而提升流处理的性能。

    这里也有个小问题 —— 上一句话所提到的“供下游消耗”,这个下游通常又会以怎样的形式来消耗可读流的呢?

    首先,可以使用我们熟悉的 .pipe() 方法将可读流推送给一个消耗对象(writable、transform 或者 duplex流)

    //ext1
    const fs = require('fs');
    const zlib = require('zlib');
    
    const r = fs.createReadStream('data.txt');
    const z = zlib.createGzip();
    const w = fs.createWriteStream('data.txt.gz');
    r.pipe(z).pipe(w);

    其次,也可以通过监听可读流的“data”事件(别忘了文章前面提到的“所有的流都属于 EventEmitter 的实例”)来实现消耗处理 —— 在首次监听其 data 事件后,readStream 便会持续不断地调用 _read(),通过触发 data 事件将数据输出。当数据全部被消耗时,则触发 end 事件。

    示例:

    //demo3
    const Readable = require('stream').Readable;
    
    class ToReadable extends Readable {
        constructor(iterator) {
            super();
            this.iterator = iterator
        }
        _read() {
            const res = this.iterator.next();
            if (res.done) {
                // 迭代结束,顺便结束可读流
                this.push(null)
            }
            setTimeout(() => {
                // 将数据添加到流中
                this.push(res.value + '
    ')
            }, 0)
        }
    }
    
    const gen = function *(a){
        let count = 5,
            res = a;
        while(count--){
            res = res*res;
            yield res
        }
    };
    
    const readable = new ToReadable(gen(2));
    
    // 监听`data`事件,一次获取一个数据
    readable.on('data', data => process.stdout.write(data));
    
    // 可读流消耗完毕
    readable.on('end', () => process.stdout.write('readable stream ends~'));

    执行结果为:

    这里需要留意的是,在使用 .push() 往可读流里注入数据的代码段,我们使用了 setTimeout 将其包裹起来,这是为了让系统能有足够时间优先处理接收流结束信号的事务。当然你也可以改写为:

            if (res.done) {
                // 直接 return
                return this.push(null)
            }
            this.push(res.value + '
    ')

    2.2 Writable Streams

    Writable(可写)流接口是对写入数据的目标的抽象:

    src.pipe(writableStream)

    常见的 Writable Streams 包括:

    • 客户端的 HTTP requests
    • 服务端的 HTTP responses
    • fs write streams
    • zlib streams
    • crypto streams
    • TCP sockets
    • 子进程的 stdin
    • process.stdout 和 process.stderr

    可写流有两个重要的方法:

    •  writableStream.write(chunk[, encoding, callback]) —— 往可写流里写入数据;
    •  writableStream.end([chunk, encoding, callback]) —— 停止写入数据,结束可写流。在调用 .end() 后,再调用 .write() 方法会产生错误。

    上方两方法的 encoding 参数表示编码字符串(chunk为String时才可以用)。

    write 方法的 callback 回调参数会在 chunk 被消费后(从缓存中移除后)被触发;end 方法的 callback 回调参数则在 Stream 结束时触发。

    另外,如同通过 readable._read() 方法可以处理可读流,我们可以通过 writable._write(chunk, enc, next) 方法在系统底层处理流写入的逻辑中,对数据进行处理。

    其中参数 chunk 代表写进来的数据;enc 代表编码的字符串;next(err) 则是一个回调函数,调用它可以告知消费者进行下一轮的数据流写入。

    示例:

    //demo4
    const Writable = require('stream').Writable;
    const writable = Writable();
    
    writable._write = (chunck, enc, next) => {
        // 输出打印
        process.stdout.write(chunck.toString().toUpperCase());
        // 写入完成时,调用`next()`方法通知流传入下一个数据
        process.nextTick(next)
    };
    
    // 所有数据均已写入底层
    writable.on('finish', () => process.stdout.write('DONE'));
    
    // 将一个数据写入流中
    writable.write('a' + '
    ');
    writable.write('b' + '
    ');
    writable.write('c' + '
    ');
    
    // 再无数据写入流时,需要调用`end`方法
    writable.end();

    执行如下:

    2.3 Duplex Streams

    Duplex 是双工的意思,因此很容易猜到 Duplex 流就是既能读又能写的一类流,它继承了 Readable 和 Writable 的接口。

    常见的 Duplex Streams 有:

    • TCP sockets
    • zlib streams
    • crypto streams

    示例:

    //demo5
    const Duplex = require('stream').Duplex;
    const duplex = Duplex();
    
    duplex._read = function () {
        var date = new Date();
        this.push( date.getFullYear().toString() );
        this.push(null)
    };
    
    duplex._write = function (buf, enc, next) {
        console.log( buf.toString() + '
    ' );
        next()
    };
    
    duplex.on('data', data => console.log( data.toString() ));
    
    duplex.write('the year is');
    
    duplex.end();

    执行结果:

    2.4 Transform Streams

    Transform Stream 是在继承了 Duplex Streams 的基础上再进行了扩展,它可以把写入的数据和输出的数据,通过 ._transform 接口关联起来。

    常见的 Transform Streams 有:

    • zlib streams
    • crypto streams

    示例:

    //demo6
    const Transform = require('stream').Transform;
    class SetName extends Transform {
        constructor(name, option) {
            super(option || {});
            this.name = name || ''
        }
        // .write接口写入的数据,处理后直接从 data 事件的回调中可取得
        _transform(buf, enc, next) {
            var res = buf.toString().toUpperCase();
            this.push(res + this.name + '
    ');
            next()
        }
    
    }
    
    var transform = new SetName('VaJoy');
    transform.on('data', data => process.stdout.write(data));
    
    transform.write('my name is ');
    transform.write('here is ');
    transform.end();

    执行结果:

    其中的 _transform 是 Transform Streams 的内置方法,所有 Transform Streams 都需要使用该接口来接收输入和处理输出,且该方法只能由子类来调用。

    _transform 接口格式如下:

    transform._transform(chunk, encoding, callback)

    第一个参数表示被转换(transformed)的数据块(chunk),除非构造方法 option 参数(可选)传入了 “decodeString : false”,否则其类型均为 Buffer;

    第二个参数用于设置编码,但只有当 chunck 为 String 格式(即构造方法传入 “decodeString : false”参数)的时候才可配置,否则默认为“buffer”;

    第三个参数 callback 用于在 chunk 被处理后调用,通知系统进入下一轮 _transform 调用。该回调方法接收两个可选参数 —— callback([error, data]),其中的 data 参数可以将 chunck 写入缓存中(供更后面的消费者去消费)

    transform.prototype._transform = function(data, encoding, callback){
        this.push(data);
        callback()
    };
    ///////等价于
    transform.prototype._transform = function(data, encoding, callback){
        callback(null, data)
    };

    另外 Transform Streams 还有一个 _flush(callback) 内置方法,它会在没有更多可消耗的数据时、在“end”事件之前被触发,而且会清空缓存数据并结束 Stream。

    该内置方法同样只允许由子类来调用,而且执行后,不能再调用 .push 方法。

    关于 Transform Streams 的更多细节还可以参考这篇文章,推荐阅读。

    2.5 Classic Streams

    在较早版本的 NodeJS 里,Stream 的实现相较简陋,例如上文提及的“Stream.Readable”接口均是从 Node 0.9.4 开始才有,因此我们往往需要对其进行多次封装扩展才能更好地用来开发。

    而 Classic Streams 便是对这种古旧模式的 Stream 接口的统称。

    需要留意的是,只要往任意一个 stream 注册一个“data”事件监听器,它就会自动切换到“classic”模式,并按照旧的 API 去执行。

    classic 流可以当作一个带有 .pipe 接口的事件发射器(event emitter),当它要为消耗者提供数据时会发射“data”事件,当要结束生产数据时,则发射“end”事件。

    另外只有当设置 Stream.readable 为 true 时,.pipe 接口才会将当前流视作可读流:

    //demo7
    var Stream = require('stream');
    var stream = new Stream();
    stream.readable = true; //告诉 .pipe 这是个可读流
    
    var c = 64;
    var iv = setInterval(function () {
        if (++c >= 75) {
            clearInterval(iv);
            stream.emit('end');
        }
        else stream.emit('data', String.fromCharCode(c));
    }, 100);
    
    stream.pipe(process.stdout);

    另外,Classic readable streams 还有 .pause() 和 .resume() 两个接口可用于暂停/恢复流的读取:

    createServer(function(q,s) {
      // ADVISORY only!
      q.pause()
      session(q, function(ses) {
        q.on('data', handler)
        q.resume()
      })
    })

    3. Object Mode

    对于可读流来说,push(data) 时,data 的类型只能是 String 或Buffer,且消耗时 data 事件输出的数据类型都为 Buffer;

    对于可写流来说,write(data) 时,data 的类型也只能是 String 或 Buffer,_write(data) 调用时所传进来的 data 类型都为 Buffer。

    示例:

    //demo8
    writable._write = (chunck, enc, next) => {
        // 输出打印
        console.log(chunck);   //Buffer
        //console.log(chunck.toString());  //转为String
    
        process.nextTick(next)
    };
    
    writable.write('Happy Chinese Year');
    writable.end();

    执行结果:

    不过,为了增强数据类型的灵活性,无论是可读流或是可写流,只需要往其构造函数里传入配置参数“{ objectMode: true }”,便可往流里传入/获取任意类型(null除外)的数据:

    const objectModeWritable = Writable({ objectMode: true });
    
    objectModeWritable._write = (chunck, enc, next) => {
        // 输出打印
        console.log(typeof chunck);
        console.log(chunck);
        process.nextTick(next)
    };
    
    objectModeWritable.write('Happy Chinese Year');
    objectModeWritable.write( { year : 2017 } );
    objectModeWritable.end( 2017 );

    执行结果:

    4. Stream的兼容问题

    在前文我们介绍了 classic streams,它属于陈旧版本的 Node 上的 Stream 接口,可以把它称为 Streams1。而从 Node 0.10 开始,Stream 新增了系列实用的新接口,可以做更多除了 .pipe() 之外的事情,我们把其归类为 Streams2(事实上,在 Node 0.11+开始,Stream有些许新的变动,从该版本开始的 Stream 也可称为 Streams3)

    那么这里存在一个问题 —— 那些使用了 Stream1 的项目(特别是 npm 包),想升级使用环境的 Node 版本到 0.10+,会否导致兼容问题呢?

    还好 Streams2 虽然改头换面,但本质上是设计为向后兼容的。

    打个比方,如果你同时推送了一条 Streams2 流和一条旧格式的、基于事件发射器的流,Stream2 将降级为旧模式(shim mode)来向后兼容。

    但是,如果我们的开发环境使用的是 Node 0.8(且因为某些原因不能升级),但又想使用 Streams2 的API怎么办呢?或者比如 npm 上的某些开源的工具包,想要拥抱 Streams2 的便利,又想保持对使用 Node 0.8 的用户进行兼容处理,这样又得怎么处理?

    针对上述问题,早在 Node 0.10 释放之前,Issacs 就把 Node-core 中操作 Stream 的核心接口独立拷贝了一份出来,开源到了 npm 上并持续更新,它就是 readable-stream

    通过使用 readable-stream,我们就可以在那些核心里没有 Streams2/3 的低版本 Node 中,直接使用 Streams2/3:

    var Readable = require('stream').Readable || require('readable-stream').Readable

    readable-stream 现在有 v1.0.x 和 v1.1.x 两个主要版本,前者跟进 Streams2 的迭代,后者跟进 Streams3 的迭代,用户可以根据需求使用对应版本的包。

    5. through2

    readable-stream 虽然提供了一个 Streams 的兼容方案,但我们也希望能对 Stream 复杂的API进行精简。

    through2 便基于 readable-stream 对 Stream 接口进行了封装,并提供了更简单和灵活的方法。

    through2 会为你生成 Transform Streams(貌似旧版本是 Duplex Streams)来处理任意你想使用的流 —— 如前文介绍,相比其它流,Transform 流处理起数据会更加灵活方便。

    来看下 through2 的示例:

    //demo9
    const fs = require('fs');
    const through2 = require('through2');
    fs.createReadStream('data.txt')
        .pipe(through2(function (chunk, enc, callback) {
            for (var i = 0; i < chunk.length; i++)
                if (chunk[i] == 97)
                    chunk[i] = 122; // 把 'a' 替换为 'z'
    
            this.push(chunk);
    
            callback()
        }))
        .pipe(fs.createWriteStream('out.txt'))
        .on('finish', ()=> {
            console.log('DONE')
        });

    使用 through2.obj 接口操作 Object Mode 下的流:

    //demo10
    const fs = require('fs');
    const through2 = require('through2');
    const csv2 = require('csv2');
    
    let all = [];
    
    fs.createReadStream('list.csv')
        .pipe(csv2())
        // through2.obj(fn) 是 through2({ objectMode: true }, fn) 的简易封装
        .pipe(through2.obj(function (chunk, enc, callback) {
            var data = {
                name: chunk[0],
                sex: chunk[1],
                addr: chunk[2]
            };
            this.push(data);
    
            callback()
        }))
        .on('data', function (data) {
            all.push(data)
        })
        .on('end', function () {
            console.log(all)
        });

    对比原生的 Stream API,through2 简洁了不少,加上有 readable-stream 依赖加持,也很好理解为何像 gulp 及其插件都会使用 through2 来操作和处理 stream 了。

    顺便贴下对 through2 的源码注释:

    var Transform = require('readable-stream/transform'),
        inherits = require('util').inherits,
        xtend = require('xtend');
    
    //构造方法,继承了Transform
    function DestroyableTransform(opts) {
        Transform.call(this, opts);
        this._destroyed = false
    }
    
    inherits(DestroyableTransform, Transform);
    
    //原型接口 destroy,用于关闭当前流
    DestroyableTransform.prototype.destroy = function (err) {
        if (this._destroyed) return;
        this._destroyed = true;
    
        var self = this;
        process.nextTick(function () {
            if (err)
                self.emit('error', err);
            self.emit('close')
        })
    };
    
    // a noop _transform function
    function noop(chunk, enc, callback) {
        callback(null, chunk)
    }
    
    
    // 闭包,用于返回对外接口方法
    function through2(construct) {
        //最终返回此匿名函数
        return function (options, transform, flush) {
            if (typeof options == 'function') {
                flush = transform
                transform = options
                options = {}
            }
    
            if (typeof transform != 'function')
                transform = noop
    
            if (typeof flush != 'function')
                flush = null
    
            return construct(options, transform, flush)
        }
    }
    
    
    // 出口,执行 throuh2 闭包函数,返回一个 DestroyableTransform 的实例(t2)
    module.exports = through2(function (options, transform, flush) {
        //t2 为 Transform Stream 对象
        var t2 = new DestroyableTransform(options);
    
        //Transform Streams 的内置接口 _transform(chunk, encoding, next) 方法
        t2._transform = transform;
    
        if (flush)
            t2._flush = flush;
    
        return t2
    });
    
    
    // 对外暴露一个可以直接 new (或者不加 new)来创建实例的的构造函数
    module.exports.ctor = through2(function (options, transform, flush) {
        function Through2(override) {
            if (!(this instanceof Through2))
                return new Through2(override)
    
            this.options = xtend(options, override)
    
            DestroyableTransform.call(this, this.options)
        }
    
        inherits(Through2, DestroyableTransform)
    
        Through2.prototype._transform = transform
    
        if (flush)
            Through2.prototype._flush = flush
    
        return Through2
    })
    
    //Object Mode接口的简易封装
    module.exports.obj = through2(function (options, transform, flush) {
        var t2 = new DestroyableTransform(xtend({objectMode: true, highWaterMark: 16}, options))
    
        t2._transform = transform
    
        if (flush)
            t2._flush = flush
    
        return t2
    })
    View Code

    以上是本文对 Stream 的一个介绍,但事实上 Stream 还有许多未露面的 API,感兴趣的同学可以直接阅读官方 API文档做进一步了解。

    本篇文章是对后续 gulp 源码解析系列的一个基础铺垫,想了解更多 gulp 相关内容的话可以留意我的博客。最后恭祝大家鸡年大吉!共勉~

    Reference

    ⑴ Stream API Doc - https://nodejs.org/api/stream.html

    ⑵ stream-handbook - https://github.com/substack/stream-handbook

    ⑶ Node.js Stream - 基础篇 - http://www.cnblogs.com/zapple/p/5759670.html

    ⑷ Why I don't use Node's core 'stream' module - https://r.va.gg/2014/06/why-i-dont-use-nodes-core-stream-module.html

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  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/vajoy/p/6349817.html
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