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Node.js Stream - 进阶篇

消息队列设计精要

Node.js Stream - 基础篇

在构建较复杂的系统时，通常将其拆解为功能独立的若干部分。这些部分的接口遵循一定的规范，通过某种方式相连，以共同完成较复杂的任务。譬如，shell通过管道|连接各部分，其输入输出的规范是文本流。

在Node.js中，内置的Stream模块也实现了类似功能，各部分通过.pipe()连接。

鉴于目前国内系统性介绍Stream的文章较少，而越来越多的开源工具都使用了Stream，本系列文章将从以下几方面来介绍相关内容：

流的基本类型，以及Stream模块的基本使用方法
流式处理与back pressure的工作原理
如何开发流式程序，包括对Gulp与Browserify的剖析，以及一个实战示例。

本文为系列文章的第一篇。

流的四种类型

Stream提供了以下四种类型的流：

var Stream = require('stream')

var Readable = Stream.Readable
var Writable = Stream.Writable
var Duplex = Stream.Duplex
var Transform = Stream.Transform

使用Stream可实现数据的流式处理，如：

var fs = require('fs')
// `fs.createReadStream`创建一个`Readable`对象以读取`bigFile`的内容，并输出到标准输出
// 如果使用`fs.readFile`则可能由于文件过大而失败
fs.createReadStream(bigFile).pipe(process.stdout)

Readable

创建可读流。

实例：流式消耗迭代器中的数据。

'use strict'
const Readable = require('stream').Readable

class ToReadable extends Readable {
  constructor(iterator) {
    super()
    this.iterator = iterator
  }

  // 子类需要实现该方法
  // 这是生产数据的逻辑
  _read() {
    const res = this.iterator.next()
    if (res.done) {
      // 数据源已枯竭，调用`push(null)`通知流
      return this.push(null)
    }
    setTimeout(() => {
      // 通过`push`方法将数据添加到流中
      this.push(res.value + '\n')
    }, 0)
  }
}

module.exports = ToReadable

实际使用时，new ToReadable(iterator)会返回一个可读流，下游可以流式的消耗迭代器中的数据。

const iterator = function (limit) {
  return {
    next: function () {
      if (limit--) {
        return { done: false, value: limit + Math.random() }
      }
      return { done: true }
    }
  }
}(1e10)

const readable = new ToReadable(iterator)

// 监听`data`事件，一次获取一个数据
readable.on('data', data => process.stdout.write(data))

// 所有数据均已读完
readable.on('end', () => process.stdout.write('DONE'))

执行上述代码，将会有100亿个随机数源源不断地写进标准输出流。

创建可读流时，需要继承Readable，并实现_read方法。

_read方法是从底层系统读取具体数据的逻辑，即生产数据的逻辑。
在_read方法中，通过调用push(data)将数据放入可读流中供下游消耗。
在_read方法中，可以同步调用push(data)，也可以异步调用。
当全部数据都生产出来后，必须调用push(null)来结束可读流。
流一旦结束，便不能再调用push(data)添加数据。

可以通过监听data事件的方式消耗可读流。

在首次监听其data事件后，readable便会持续不断地调用_read()，通过触发data事件将数据输出。
第一次data事件会在下一个tick中触发，所以，可以安全地将数据输出前的逻辑放在事件监听后（同一个tick中）。
当数据全部被消耗时，会触发end事件。

上面的例子中，process.stdout代表标准输出流，实际是一个可写流。下小节中介绍可写流的用法。

Writable

创建可写流。

前面通过继承的方式去创建一类可读流，这种方法也适用于创建一类可写流，只是需要实现的是_write(data, enc, next)方法，而不是_read()方法。

有些简单的情况下不需要创建一类流，而只是一个流对象，可以用如下方式去做：

const Writable = require('stream').Writable

const writable = Writable()
// 实现`_write`方法
// 这是将数据写入底层的逻辑
writable._write = function (data, enc, next) {
  // 将流中的数据写入底层
  process.stdout.write(data.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' + '\n')
writable.write('b' + '\n')
writable.write('c' + '\n')

// 再无数据写入流时，需要调用`end`方法
writable.end()

上游通过调用writable.write(data)将数据写入可写流中。write()方法会调用_write()将data写入底层。
在_write中，当数据成功写入底层后，必须调用next(err)告诉流开始处理下一个数据。
next的调用既可以是同步的，也可以是异步的。
上游必须调用writable.end(data)来结束可写流，data是可选的。此后，不能再调用write新增数据。
在end方法调用后，当所有底层的写操作均完成时，会触发finish事件。

Duplex

创建可读可写流。

Duplex实际上就是继承了Readable和Writable的一类流。
所以，一个Duplex对象既可当成可读流来使用（需要实现_read方法），也可当成可写流来使用（需要实现_write方法）。

var Duplex = require('stream').Duplex

var duplex = Duplex()

// 可读端底层读取逻辑
duplex._read = function () {
  this._readNum = this._readNum || 0
  if (this._readNum > 1) {
    this.push(null)
  } else {
    this.push('' + (this._readNum++))
  }
}

// 可写端底层写逻辑
duplex._write = function (buf, enc, next) {
  // a, b
  process.stdout.write('_write ' + buf.toString() + '\n')
  next()
}

// 0, 1
duplex.on('data', data => console.log('ondata', data.toString()))

duplex.write('a')
duplex.write('b')

duplex.end()

上面的代码中实现了_read方法，所以可以监听data事件来消耗Duplex产生的数据。
同时，又实现了_write方法，可作为下游去消耗数据。

因为它既可读又可写，所以称它有两端：可写端和可读端。
可写端的接口与Writable一致，作为下游来使用；可读端的接口与Readable一致，作为上游来使用。

Transform

在上面的例子中，可读流中的数据（0, 1）与可写流中的数据（'a', 'b'）是隔离开的，但在Transform中可写端写入的数据经变换后会自动添加到可读端。
Tranform继承自Duplex，并已经实现了_read和_write方法，同时要求用户实现一个_transform方法。

'use strict'

const Transform = require('stream').Transform

class Rotate extends Transform {
  constructor(n) {
    super()
    // 将字母旋转`n`个位置
    this.offset = (n || 13) % 26
  }

  // 将可写端写入的数据变换后添加到可读端
  _transform(buf, enc, next) {
    var res = buf.toString().split('').map(c => {
      var code = c.charCodeAt(0)
      if (c >= 'a' && c <= 'z') {
        code += this.offset
        if (code > 'z'.charCodeAt(0)) {
          code -= 26
        }
      } else if (c >= 'A' && c <= 'Z') {
        code += this.offset
        if (code > 'Z'.charCodeAt(0)) {
          code -= 26
        }
      }
      return String.fromCharCode(code)
    }).join('')

    // 调用push方法将变换后的数据添加到可读端
    this.push(res)
    // 调用next方法准备处理下一个
    next()
  }

}

var transform = new Rotate(3)
transform.on('data', data => process.stdout.write(data))
transform.write('hello, ')
transform.write('world!')
transform.end()

// khoor, zruog!

objectMode

前面几节的例子中，经常看到调用data.toString()。这个toString()的调用是必需的吗？
本节介绍完如何控制流中的数据类型后，自然就有了答案。

在shell中，用管道（|）连接上下游。上游输出的是文本流（标准输出流），下游输入的也是文本流（标准输入流）。在本文介绍的流中，默认也是如此。

对于可读流来说，push(data)时，data只能是String或Buffer类型，而消耗时data事件输出的数据都是Buffer类型。对于可写流来说，write(data)时，data只能是String或Buffer类型，_write(data)调用时传进来的data都是Buffer类型。

也就是说，流中的数据默认情况下都是Buffer类型。产生的数据一放入流中，便转成Buffer被消耗；写入的数据在传给底层写逻辑时，也被转成Buffer类型。

但每个构造函数都接收一个配置对象，有一个objectMode的选项，一旦设置为true，就能出现“种瓜得瓜，种豆得豆”的效果。

Readable未设置objectMode时：

const Readable = require('stream').Readable

const readable = Readable()

readable.push('a')
readable.push('b')
readable.push(null)

readable.on('data', data => console.log(data))

输出：

<Buffer 61>
<Buffer 62>

Readable设置objectMode后：

const Readable = require('stream').Readable

const readable = Readable({ objectMode: true })

readable.push('a')
readable.push('b')
readable.push({})
readable.push(null)

readable.on('data', data => console.log(data))

输出：

a
b
{}

可见，设置objectMode后，push(data)的数据被原样地输出了。此时，可以生产任意类型的数据。

预告

Stream系列共三篇文章：

第一部分：基础篇，介绍Stream接口的基本使用。
第二部分：进阶篇，重点剖析Stream底层如何支持流式数据处理，及其back pressure机制。
第三部分：实战篇。介绍如何使用Stream进行程序设计。从Browserify和Gulp总结出两种设计模式，并基于Stream构建一个为Git仓库自动生成changelog的应用作为示例。

下一节：消息队列设计精要

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