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小程序性能改进方案_深化了解Node中的buffer模块

深入理解Node中的buffer模块     -lee   本篇文章主要介绍了Node中的buffer,小编觉得挺不错的,现在分享给大家,也给大家做个参考。一起跟随小编过来看看吧

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++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 
 if (typeof length === 'undefined')
 return binding.createFromArrayBuffer(obj, byteOffset);
 length 
 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;

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。

以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持凡科。




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