在Node、ES2015出现之前,前端工程师只需要进行一些简单的字符串或DOM操作就可以满足业务需要,所以对二进制数据是比较陌生。node出现以后,前端面对的技术场景发生了变化,可以深入到网络传输、文件操作、图片处理等领域,而这些操作都与二进制数据紧密相关。
Node里面的buffer,是一个二进制数据容器,数据结构类似与数组,数组里面的方法在buffer都存在(slice操作的结果不一样)。下面就从源码(v6.0版本)层面分析,揭开buffer操作的面纱。
1. buffer的基本使用
在Node 6.0以前,直接使用new Buffer,但是这种方式存在两个问题:
- 参数复杂: 内存分配,还是内存分配+内容写入,需要根据参数来确定
- 安全隐患: 分配到的内存可能还存储着旧数据,这样就存在安全隐患
// 本来只想申请一块内存,但是里面却存在旧数据 const buf1 = new Buffer(10) // <Buffer 90 09 70 6b bf 7f 00 00 50 3a> // 不小心,旧数据就被读取出来了 buf1.toString() // '?\tpk?\u0000\u0000P:'
为了解决上述问题,Buffer提供了Buffer.from
、Buffer.alloc
、Buffer.allocUnsafe
、Buffer.allocUnsafeSlow
四个方法来申请内存。
// 申请10个字节的内存 const buf2 = Buffer.alloc(10) // <Buffer 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00> // 默认情况下,用0进行填充 buf2.toString() //'\u0000\u0000\u0000\u0000\u0000\u0000\u0000\u0000\u0000\u0000' // 上述操作就相当于 const buf1 = new Buffer(10); buf.fill(0); buf.toString(); // '\u0000\u0000\u0000\u0000\u0000\u0000\u0000\u0000\u0000\u0000'
2. buffer的结构
buffer是一个典型的javascript与c++结合的模块,其性能部分用c++实现,非性能部分用javascript来实现。
下面看看buffer模块的内部结构:
exports.Buffer = Buffer; exports.SlowBuffer = SlowBuffer; exports.INSPECT_MAX_BYTES = 50; exports.kMaxLength = binding.kMaxLength;
buffer模块提供了4个接口:
- Buffer: 二进制数据容器类,node启动时默认加载
- SlowBuffer: 同样也是二进制数据容器类,不过直接进行内存申请
- INSPECT_MAX_BYTES: 限制bufObject.inspect()输出的长度
- kMaxLength: 一次性内存分配的上限,大小为(2^31 - 1)
其中,由于Buffer经常使用,所以node在启动的时候,就已经加载了Buffer,而其他三个,仍然需要使用require('buffer').***。
关于buffer的内存申请、填充、修改等涉及性能问题的操作,均通过c++里面的node_buffer.cc来实现:
// c++里面的node_buffer namespace node { bool zero_fill_all_buffers = false; namespace Buffer { ... } } NODE_MODULE_CONTEXT_AWARE_BUILTIN(buffer, node::Buffer::Initialize)
3. 内存分配的策略
Node中Buffer内存分配太过常见,从系统性能考虑出发,Buffer采用了如下的管理策略。
3.1 Buffer.from
Buffer.from(value, ...)
用于申请内存,并将内容写入刚刚申请的内存中,value值是多样的,Buffer是如何处理的呢?让我们一起看看源码:
Buffer.from = function(value, encodingOrOffset, length) { if (typeof value === 'number') throw new TypeError('"value" argument must not be a number'); if (value instanceof ArrayBuffer) return fromArrayBuffer(value, encodingOrOffset, length); if (typeof value === 'string') return fromString(value, encodingOrOffset); return fromObject(value); };
value可以分成三类:
- ArrayBuffer的实例: ArrayBuffer是ES2015里面引入的,用于在浏览器端直接操作二进制数据,这样Node就与ES2015关联起来,同时,新创建的Buffer与ArrayBuffer内存是共享的
- string: 该方法实现了将字符串转变为Buffer
- Buffer/TypeArray/Array: 会进行值的copy
3.1.1 ArrayBuffer的实例
Node v6与时俱进,将浏览器、node中对二进制数据的操作关联起来,同时二者会进行内存的共享。
var b = new ArrayBuffer(4); var v1 = new Uint8Array(b); var buf = Buffer.from(b) console.log('first, typeArray: ', v1) // first, typeArray: Uint8Array [ 0, 0, 0, 0 ] console.log('first, Buffer: ', buf) // first, Buffer: <Buffer 00 00 00 00> v1[0] = 12 console.log('second, typeArray: ', v1) // second, typeArray: Uint8Array [ 12, 0, 0, 0 ] console.log('second, Buffer: ', buf) // second, Buffer: <Buffer 0c 00 00 00>
在上述操作中,对ArrayBuffer的操作,引起Buffer值的修改,说明二者在内存上是同享的,再从源码层面了解下这个过程:
// buffer.js Buffer.from(arrayBuffer, ...)进入的分支: function fromArrayBuffer(obj, byteOffset, length) { byteOffset >>>= 0; if (typeof length === 'undefined') return binding.createFromArrayBuffer(obj, byteOffset); length >>>= 0; return binding.createFromArrayBuffer(obj, byteOffset, length); } // c++ 模块中的node_buffer: void CreateFromArrayBuffer(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) { ... Local<ArrayBuffer> ab = args[0].As<ArrayBuffer>(); ... Local<Uint8Array> ui = Uint8Array::New(ab, offset, max_length); ... args.GetReturnValue().Set(ui); }
3.1.2 string
可以实现字符串与Buffer之间的转换,同时考虑到操作的性能,采用了一些优化策略避免频繁进行内存分配:
function fromString(string, encoding) { ... var length = byteLength(string, encoding); if (length === 0) return Buffer.alloc(0); // 当字符所需要的字节数大于4KB时: 直接进行内存分配 if (length >= (Buffer.poolSize >>> 1)) return binding.createFromString(string, encoding); // 当字符所需字节数小于4KB: 借助allocPool先申请、后分配的策略 if (length > (poolSize - poolOffset)) createPool(); var actual = allocPool.write(string, poolOffset, encoding); var b = allocPool.slice(poolOffset, poolOffset + actual); poolOffset += actual; alignPool(); return b; }
a. 直接内存分配
当字符串所需要的字节大于4KB时,如何还从8KB的buffer pool中进行申请,那么就可能存在内存浪费,例如:
poolSize - poolOffset < 4KB: 这样就要重新申请一个8KB的pool,刚才那个pool剩余空间就会被浪费掉
看看c++是如何进行内存分配的:
// c++ void CreateFromString(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) { ... Local<Object> buf; if (New(args.GetIsolate(), args[0].As<String>(), enc).ToLocal(&buf)) args.GetReturnValue().Set(buf); }
b. 借助于pool管理
用一个pool来管理频繁的行为,在计算机中是非常常见的行为,例如http模块中,关于tcp连接的建立,就设置了一个tcp pool。
function fromString(string, encoding) { ... // 当字符所需字节数小于4KB: 借助allocPool先申请、后分配的策略 // pool的空间不够用,重新分配8kb的内存 if (length > (poolSize - poolOffset)) createPool(); // 在buffer pool中进行分配 var actual = allocPool.write(string, poolOffset, encoding); // 得到一个内存的视图view, 特殊说明: slice不进行copy,仅仅创建view var b = allocPool.slice(poolOffset, poolOffset + actual); poolOffset += actual; // 校验poolOffset是8的整数倍 alignPool(); return b; } // pool的申请 function createPool() { poolSize = Buffer.poolSize; allocPool = createBuffer(poolSize, true); poolOffset = 0; } // node加载的时候,就会创建第一个buffer pool createPool(); // 校验poolOffset是8的整数倍 function alignPool() { // Ensure aligned slices if (poolOffset & 0x7) { poolOffset |= 0x7; poolOffset++; } }
3.1.3 Buffer/TypeArray/Array
可用从一个现有的Buffer、TypeArray或Array中创建Buffer,内存不会共享,仅仅进行值的copy。
var buf1 = new Buffer([1,2,3,4,5]); var buf2 = new Buffer(buf1); console.log(buf1); // <Buffer 01 02 03 04 05> console.log(buf2); // <Buffer 01 02 03 04 05> buf1[0] = 16 console.log(buf1); // <Buffer 10 02 03 04 05> console.log(buf2); // <Buffer 01 02 03 04 05>
上述示例就证明了buf1、buf2没有进行内存的共享,仅仅是值的copy,再从源码层面进行分析:
function fromObject(obj) { // 当obj为Buffer时 if (obj instanceof Buffer) { ... const b = allocate(obj.length); obj.copy(b, 0, 0, obj.length); return b; } // 当obj为TypeArray或Array时 if (obj) { if (obj.buffer instanceof ArrayBuffer || 'length' in obj) { ... return fromArrayLike(obj); } if (obj.type === 'Buffer' && Array.isArray(obj.data)) { return fromArrayLike(obj.data); } } throw new TypeError(kFromErrorMsg); } // 数组或类数组,逐个进行值的copy function fromArrayLike(obj) { const length = obj.length; const b = allocate(length); for (var i = 0; i < length; i++) b[i] = obj[i] & 255; return b; }
3.2 Buffer.alloc
Buffer.alloc用于内存的分配,同时会对内存的旧数据进行覆盖,避免安全隐患的产生。
Buffer.alloc = function(size, fill, encoding) { ... if (size <= 0) return createBuffer(size); if (fill !== undefined) { ... return typeof encoding === 'string' ? createBuffer(size, true).fill(fill, encoding) : createBuffer(size, true).fill(fill); } return createBuffer(size); }; function createBuffer(size, noZeroFill) { flags[kNoZeroFill] = noZeroFill ? 1 : 0; try { const ui8 = new Uint8Array(size); Object.setPrototypeOf(ui8, Buffer.prototype); return ui8; } finally { flags[kNoZeroFill] = 0; } }
上述代码有几个需要注意的点:
3.2.1 先申请后填充
alloc先通过createBuffer
申请一块内存,然后再进行填充,保证申请的内存全部用fill进行填充。
var buf = Buffer.alloc(10, 11); console.log(buf); // <Buffer 0b 0b 0b 0b 0b 0b 0b 0b 0b 0b>
3.2.2 flags标示
flags用于标识默认的填充值是否为0,该值在javascript中设置,在c++中进行读取。
// js const binding = process.binding('buffer'); const bindingObj = {}; ... binding.setupBufferJS(Buffer.prototype, bindingObj); ... const flags = bindingObj.flags; const kNoZeroFill = 0;
// c++ void SetupBufferJS(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) { ... Local<Object> bObj = args[1].As<Object>(); ... bObj->Set(String::NewFromUtf8(env->isolate(), "flags"), Uint32Array::New(array_buffer, 0, fields_count)); }
3.2.3 Uint8Array
Uint8Array
是ES2015 TypeArray中的一种,可以在浏览器中创建二进制数据,这样就把浏览器、Node连接起来。
3.3 Buffer.allocUnSafe
Buffer.allocUnSafe与Buffer.alloc的区别在于,前者是从采用allocate的策略,尝试从buffer pool中申请内存,而buffer pool是不会进行默认值填充的,所以这种行为是不安全的。
Buffer.allocUnsafe = function(size) { assertSize(size); return allocate(size); };
3.4 Buffer.allocUnsafeSlow
Buffer.allocUnsafeSlow有两个大特点: 直接通过c++进行内存分配;不会进行旧值填充。
Buffer.allocUnsafeSlow = function(size) { assertSize(size); return createBuffer(size, true); };
4. 结语
字符串与Buffer之间存在较大的差距,同时二者又存在编码关系。通过Node,前端工程师已经深入到网络操作、文件操作等领域,对二进制数据的操作就显得非常重要,因此理解Buffer的诸多细节十分必要。
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