深入理解Node中的buffer模块

深入理解Node中的buffer模块

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MvsMJTqpc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) //

// 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) //

// 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MvsMJTqpc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:

v1[0] = 12

console.log('second, typeArray: ', v1) // second, typeArray: Uint8Array [ 12, 0, 0, 0 ]

console.log('second, Buffer: ', buf) // second, Buffer:

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& args) {

...

Local ab = args[0].As();

...

Local 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& args) {

...

Local

if (New(args.GetIsolate(), args[0].As(), 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); //

console.log(buf2); //

buf1[0] = 16

console.log(buf1); //

console.log(buf2); //

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); //

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& args) {

...

Local

...

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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