node中的Stream－Readable和Writeable解读

在node中，只要涉及到文件IO的场景一般都会涉及到一个类－Stream。Stream是对IO设备的抽象表示，其在JAVA中也有涉及，主要体现在四个类－InputStream、Reader、OutputStream、Writer，其中InputStream和OutputStream类针对字节数据进行读写；Reader和Writer针对字符数据读写。同时Java中有多种针对这四种类型的扩展类，如节点流、缓冲流和转换流等。比较而言，node中Stream类型也和Java中的类似，同样提供了支持字节和字符读写的Readable和Writeable类，也存在转换流Transform类，本文主要分析node中Readable和Writeable的实现机制，从底层的角度更好的理解Readable和Writeable实现机制，解读在读写过程中发生的一些重要事件。

Readable类

Readable对应于Java中的InputStream和Reader两个类，针对Readable设置encode编码可完成内部数据由Buffer到字符的转换。Readable Stream有两种模式，即flowing和paused模式。这两种模式对于用户而言区别在于是否需要手动调用Readable.prototype.read(n)，读取缓冲区的数据。查询node API文档可知触发flowing模式有三种方式：

• 侦听data事件
• readable.resume()
• readable.pipe()
  
  而触发paused模式同样有几种方式：
• 移除data事件
• readable.pause()
• readable.unpipe()
  
  可能这样讲解大家仍不明白Readable Stream这两种模式的区别，那么下文从更深层次分析两种模式的机制。

深入Readable的实现

Readable继承EventEmitter，大家也都知道。但是相信大家应该不怎么熟悉Readable的实例属性_readableState。该属性是一个ReadableState类型的对象，保存了Readable实例的重要信息，如读取模式（是否为对象模式）、highWaterMark（缓冲区存放的最大字节数）、缓冲区、flowing模式等。在Readable的实现中，处处使用ReadableState对象记录当前读取状态，并设置缓冲区保证读操作的顺利进行。

首先需要针对Readable.prototype.read方法进行特别解读：

  if (n === 0 &&
      state.needReadable &&
      (state.length >= state.highWaterMark || state.ended)) {
    debug('read: emitReadable', state.length, state.ended);
    if (state.length === 0 && state.ended)
      endReadable(this);
    else
      emitReadable(this);
    return null;
  }

当读入的数据为0时，执行emitReadable操作。这意味着，针对Readable Stream执行read(0)方法会触发readable事件，但是不会读当前缓冲区。因此使用read(0)可以完成一些比较巧妙的事情，如在readable处理函数中可以使用read(0)触发下一次readable事件，可选的操作读缓冲区。

继续分析代码，如果读入的数据并不是0，则计算读取缓冲区的具体字节数，

n = howMuchToRead(n, state);

function howMuchToRead(n, state) {
  if (state.length === 0 && state.ended)
    return 0;

  if (state.objectMode)
    return n === 0 ? 0 : 1;

  if (n === null || isNaN(n)) {
    // only flow one buffer at a time
    if (state.flowing && state.buffer.length)
      return state.buffer[0].length;
    // 若是paused状态，则读全部的缓冲区
    else
      return state.length;
  }

  if (n <= 0)
    return 0;

  if (n > state.highWaterMark)
    state.highWaterMark = computeNewHighWaterMark(n);

  // don't have that much.  return null, unless we've ended.
  if (n > state.length) {
    if (!state.ended) {
      state.needReadable = true;
      return 0;
    } else {
      return state.length;
    }
  }

  return n;
}

针对对象模式的读取，每次只读一个；对于处在flowing模式下的读取，每次只读缓冲区中第一个buffer的长度；在paused模式下则读取全部缓冲区的长度；若读取的字节数大于设置的缓冲区最大值，则适当扩大缓冲区的大小（默认为16k，最大为8m）；若读取的长度大于当前缓冲区的大小，设置needReadable属性并准备数据等待下一次读取。

接下来，判断是否需要准备数据。在这里，依赖于needReadable的值，

var doRead = state.needReadable;
  debug('need readable', doRead);

  if (state.length === 0 || state.length - n < state.highWaterMark) {
    doRead = true;
    debug('length less than watermark', doRead);
  }

  // reading, then it's unnecessary.
  if (state.ended || state.reading) {
    doRead = false;
    debug('reading or ended', doRead);
  }

如果当前缓冲区为空，或者缓冲区并未超出我们设定的最大值，那么就可以继续准备数据；如果此时正在准备数据或者已经结束读取，那么就放弃准备数据。一旦doRead为true，那么进入准备数据阶段，

  if (doRead) {
    debug('do read');
    state.reading = true;
    state.sync = true;
    // if the length is currently zero, then we *need* a readable event.
    if (state.length === 0)
      state.needReadable = true;
    // call internal read method
    // 默认Readable未实现_read，抛出Error
    // 针对自定义的Readable子类，_read可修改state.buffer的数量，进行预处理，
    // 然后由下面的fromList读出去缓存中的相关数据
    this._read(state.highWaterMark);
    state.sync = false;
  }

接下来设置相关的标志位，进行_read处理。针对这个私有方法_read，文档上有特殊说明，自定义的Readable实现类需要实现这个方法，在该方法中手动添加数据到Readable对象的读缓冲区，然后进行Readable的读取。可以理解为_read函数为读取数据前的准备工作（准备数据），针对的是流的实现者而言。

  if (doRead && !state.reading)
    n = howMuchToRead(nOrig, state);

  var ret;
  if (n > 0)
    ret = fromList(n, state);
  else
    ret = null;

  if (ret === null) {
    state.needReadable = true;
    n = 0;
  }

  state.length -= n;

  if (state.length === 0 && !state.ended)
    state.needReadable = true;

  if (nOrig !== n && state.ended && state.length === 0)
    endReadable(this);

  // flowing模式下的数据读取依赖于 read函数
  // data事件触发的次数，依赖于howMuchToRead计算的次数
  if (ret !== null)
    this.emit('data', ret);

一旦在_read中更新了缓冲区，那么我们需要重新计算（消费者，即可写流）读取的字节数。fromList方法完成了读缓冲区的slice，如果是objectMode下的读，则只读缓冲区的第一个对象；针对未传参数的read方法而言，默认读取全部缓冲区等等。从读缓冲区读取完数据之后设置相关flag，如needReadable，最终，触发data事件，结束！

上节提到，设置data事件的执行函数会进入flowing模式的读，而上文看到正是read方法触发了data事件，而默认条件下Readable处于paused状态，因此在paused状态读取数据需要手动执行read函数，每次read读取完毕触发一次data事件。从这点看出，flowing和paused状态区别在于是否需要手动执行read()来获取数据。flowing状态下，我们无需执行read，仅需要设置data事件处理函数或者设定导流目标pipe；而在paused状态下，不仅仅是简单的执行read方法，因为读缓冲区的内容时刻在改变，一旦读缓冲区又有新数据，简单执行read()就没法满足需求(因为我们无法知道是否又有新数据到来)，因此需要侦听读缓冲区的相关事件，即readable事件，在该事件处理函数中进行read相关数据。

那么，什么情况下会触发readable事件呢？在实现_read私有方法中，我们使用stream.push(chunk)或stream.unshift(chunk)方法注入数据到读缓冲区，那么push和unshift方法都实现了下面的逻辑，

if (state.flowing && state.length === 0 && !state.sync) {
  stream.emit('data', chunk);
  stream.read(0);
} else {
  // update the buffer info.
  state.length += state.objectMode ? 1 : chunk.length;
  if (addToFront)
    state.buffer.unshift(chunk);
  else
    state.buffer.push(chunk);

  if (state.needReadable)
    emitReadable(stream);
}

function emitReadable(stream) {
  var state = stream._readableState;
  state.needReadable = false;
  if (!state.emittedReadable) {
    debug('emitReadable', state.flowing);
    state.emittedReadable = true;
    if (state.sync)
      process.nextTick(emitReadable_, stream);
    else
      emitReadable_(stream);
  }
}

function emitReadable_(stream) {
  debug('emit readable');
  stream.emit('readable');
  flow(stream);
}
// 在flowing状态下，自动读取流（替代paused状态下手动read）
function flow(stream) {
  var state = stream._readableState;
  debug('flow', state.flowing);
  if (state.flowing) {
    do {
      var chunk = stream.read();
    } while (null !== chunk && state.flowing);
  }
}

一旦处于flowing模式并且当前缓冲区没有数据，那么就立即将预处理的push（unshift）数据传递给data事件处理函数，并执行stream.read(0)。前文已经交代过，read(0)仅仅用来触发readable事件，并不读取缓冲区，这就是触发readable的第一种情况。

第二种则是第一种情况之外的所有情景，即根据操作（push、unshift）的不同将数据插入读缓冲区的不同位置。最后执行emitReadable函数，触发readable事件。针对emitReadable函数，它的作用就是异步触发readable事件，并执行flow函数。flow函数则针对flowing状态的Readable做自适应读取，免去了手动执行read函数和何时执行read函数的苦恼。

这样，对于Readable的实现者，一旦在_read函数插入有效数据到读缓冲区，都会触发readable事件，在paused状态下，设置readable事件处理函数并手动执行read函数，便可完成数据的读取；而在flowing状态下，通过设置data事件处理函数或者定义pipe目标流同样可以实现读取。

既然pipe同样可以触发Readable进入flowing状态，那么pipe方法具体做了什么呢？其实pipe针对Readable和Writeable做了限流，首先针对Readable的data事件进行侦听，并执行Writeable的write函数，当Writeable的写缓冲区大于一个临界值（highWaterMark），导致write函数返回false（此时意味着Writeable无法匹配Readable的速度，Writeable的写缓冲区已经满了），此时，pipe修改了Readable模式，执行pause方法，进入paused模式，停止读取读缓冲区。而同时Writeable开始刷新写缓冲区，刷新完毕后异步触发drain事件，在该事件处理函数中，设置Readable为flowing状态，并继续执行flow函数不停的刷新读缓冲区，这样就完成了pipe限流。需要注意的是，Readable和Writeable各自维护了一个缓冲区，在实现的上有区别：Readable的缓冲区是一个数组，存放Buffer、String和Object类型；而Writeable则是一个有向链表，依次存放需要写入的数据。

Writeable解读

Writeable对应Java的OutputStream和Writer类，实现字节和字符数据的写。与Readable类似，Writeable的实例对象同样维护了一个状态对象－WriteableState，记录了当前输出流的状态信息，如写缓冲区的最大值（hightWaterMark）、缓冲区（有向链表）和缓冲区长度等信息。在本节中，主要分析输出流的关键方法write和事件drain，并解析输出流的实现者需要实现的方法_write和write的关系。

function write
----------------------------
if (state.ended)
    writeAfterEnd(this, cb);
  else if (validChunk(this, state, chunk, cb)) {
    state.pendingcb++;
    ret = writeOrBuffer(this, state, chunk, encoding, cb);
  }

  return ret;

在write方法中，判断写入数据的格式并执行writeOrBuffer函数，并返回执行结果，该返回值标示当前写缓冲区是否已满。真正执行写入逻辑的是writeOrBuffer函数，该函数的作用在于刷新或者更新写缓冲区，下面看看主要做了什么，

function writeOrBuffer(stream, state, chunk, encoding, cb) {
  chunk = decodeChunk(state, chunk, encoding);

  if (chunk instanceof Buffer)
    encoding = 'buffer';
  var len = state.objectMode ? 1 : chunk.length;

  state.length += len;

  // 如果缓存的长度大于highWaterMark，需要刷新缓冲，所以设置needDrain标志
  var ret = state.length < state.highWaterMark;
  // we must ensure that previous needDrain will not be reset to false.
  if (!ret)
    state.needDrain = true;

  // 缓存未处理的写请求，在clearBuffer中执行缓存
  // 由此看出，Readable和Writeable都有缓存，Readable 中缓存的方式是数组（项为Buffer,字符串或对象），Writeable的
  // 缓存则是对象链表
  if (state.writing || state.corked) {
    var last = state.lastBufferedRequest;
    state.lastBufferedRequest = new WriteReq(chunk, encoding, cb);
    if (last) {
      last.next = state.lastBufferedRequest;
    } else {
      state.bufferedRequest = state.lastBufferedRequest;
    }
    state.bufferedRequestCount += 1;
  } else {
    doWrite(stream, state, false, len, chunk, encoding, cb);
  }

  return ret;
}

writeOrBuffer首先针对数据进行编码，字符串转换成Buffer类型，如果设置了Writeable的ObjectMode模式则仍为Object类型；接下来更新写缓冲区的长度，并判断写缓冲区长度是否超过设定的Writeable的最大值（默认16k），如果超过超过则ret＝false并更新WriteableState的属性needDrain＝true。ret的结果其实就是write方法返回值，因此一旦write返回值为false，意味着当前写缓冲区已满，需要停止继续写入数据。

在Readable的pipe方法中，涉及到了Writeable的drain事件。该事件的触发意味着写缓冲区已可以继续缓存数据，可见drain事件与写缓冲区严格相关。继续分析writeOrBuffer函数，若当前输出流正在写数据，那么则当前数据缓存至写缓冲区（创建WriteReq对象）；否则执行doWrite函数，刷新缓冲区。

function doWrite(stream, state, writev, len, chunk, encoding, cb) {
  state.writelen = len;
  state.writecb = cb;
  state.writing = true;
  state.sync = true;
  if (writev)
    stream._writev(chunk, state.onwrite);
  else
    stream._write(chunk, encoding, state.onwrite);
  state.sync = false;
}

doWrite函数设置了需要写入数据的长度、写入状态等信息，并执行输出流实现者需要实现的_write函数。在_write函数中，针对数据流向做最后的处理，这里分析_write函数的具体实现。_write函数有三个参数，分别为chunk,encoding和state.onwrite回调函数，对该回调函数稍后分析，先着重讲解_write函数的实现。在node的fs模块中，可以通过fs.createWriteStream创建Writeable实例，通过执行

var writeStream = fs.createWriteStream('./output',{decodeStrings: false});
console.log(writeStream._write.toString());

-----------------输出-----------------

function (data, encoding, cb) {
  if (!(data instanceof Buffer))
    return this.emit('error', new Error('Invalid data'));

  if (typeof this.fd !== 'number')
    return this.once('open', function() {
      this._write(data, encoding, cb);
    });

  var self = this;
  fs.write(this.fd, data, 0, data.length, this.pos, function(er, bytes) {
    if (er) {
      self.destroy();
      return cb(er);
    }
    self.bytesWritten += bytes;
    cb();
  });

  if (this.pos !== undefined)
    this.pos += data.length;
}

看出，在_write实现中，只接受Buffer类型的数据，接着执行fs.write操作，写入到对应文件描述符fd对应的文件中，写入成功或失败后执行回调函数，即state.onwrite函数。

function onwrite(stream, er) {
  var state = stream._writableState;
  var sync = state.sync;
  var cb = state.writecb;

  onwriteStateUpdate(state);

  // 默认未重写_write方法，会收到er值
  if (er)
    onwriteError(stream, state, sync, er, cb);
  else {
    // Check if we're actually ready to finish, but don't emit yet
    var finished = needFinish(state);

    // 写缓存的数据
    if (!finished &&
        !state.corked &&
        !state.bufferProcessing &&
        state.bufferedRequest) {
      clearBuffer(stream, state);
    }

    // 异步触发drain事件
    if (sync) {
      process.nextTick(afterWrite, stream, state, finished, cb);
    } else {
      afterWrite(stream, state, finished, cb);
    }
  }
}

在state.onwrite函数中主要工作有两个：

• 写缓冲区的数据
• 写完缓冲区的数据后，异步触发drain事件

第一步，在clearBuffer函数中，就是取出写缓冲区（有向链表）的第一个WriteReq对象，执行doWrite函数，写入缓冲区的第一个数据；这样循环往复最终清空写缓冲区，重置一些标志位。

第二步，异步执行afterWrite函数，触发drain事件，并判断是否写操作完毕触发“finish”事件。这里之所以强调异步触发drain事件，是因为为了保证先获得write()返回值为false，给用户绑定drain处理函数的时隙，然后再触发drain事件。

至此，Writeable的重要流程已全部走通。可以看出来，在核心的write()中，判断写缓冲区是否已满并返回该值，在适当条件下缓存数据或调用_write()写数据，在Writeable实现者需要实现的** _write() 中，主要任务是数据写入方向控制，完成最基本的任务**。

总结

对比Readable的read()和_read(),我总结了下这四个函数在“读写过程”中的执行顺序与关系，如下图所示：