Node.js中怎么实现Stream流

发布时间：2021-12-23 09:40:32 作者：iii
来源：亿速云阅读：146

# Node.js中怎么实现Stream流

## 目录
1. [Stream基础概念](#1-stream基础概念)
   - 1.1 [什么是流](#11-什么是流)
   - 1.2 [为什么需要流](#12-为什么需要流)
   - 1.3 [流与传统I/O对比](#13-流与传统io对比)
2. [Node.js中的流类型](#2-nodejs中的流类型)
   - 2.1 [可读流(Readable)](#21-可读流readable)
   - 2.2 [可写流(Writable)](#22-可写流writable)
   - 2.3 [双工流(Duplex)](#23-双工流duplex)
   - 2.4 [转换流(Transform)](#24-转换流transform)
3. [实现自定义流](#3-实现自定义流)
   - 3.1 [实现可读流](#31-实现可读流)
   - 3.2 [实现可写流](#32-实现可写流)
   - 3.3 [实现双工流](#33-实现双工流)
   - 3.4 [实现转换流](#34-实现转换流)
4. [流的高级应用](#4-流的高级应用)
   - 4.1 [管道(Pipeline)](#41-管道pipeline)
   - 4.2 [错误处理](#42-错误处理)
   - 4.3 [性能优化](#43-性能优化)
5. [实战案例](#5-实战案例)
   - 5.1 [大文件处理](#51-大文件处理)
   - 5.2 [HTTP流式传输](#52-http流式传输)
   - 5.3 [实时数据处理](#53-实时数据处理)
6. [常见问题与解决方案](#6-常见问题与解决方案)
7. [总结](#7-总结)

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## 1. Stream基础概念

### 1.1 什么是流

流(Stream)是Node.js中处理流式数据的抽象接口。它们是数据的集合——就像数组或字符串一样，但流的特点是不需要一次性将所有数据加载到内存中，而是可以逐块处理数据。

```javascript
const fs = require('fs');

// 传统方式读取文件
fs.readFile('largefile.txt', (err, data) => {
  // 整个文件内容都在内存中
});

// 使用流读取文件
const readStream = fs.createReadStream('largefile.txt');
readStream.on('data', (chunk) => {
  // 每次只处理一小块数据
});

1.2 为什么需要流

内存效率：不需要一次性加载大量数据到内存
时间效率：可以立即开始处理数据，而不必等待所有数据都可用
组合性：可以通过管道将多个流操作连接起来
实时性：适合处理实时数据或持续生成的数据

1.3 流与传统I/O对比

特性	传统I/O	Stream
内存使用	高	低
处理速度	慢(等待全部数据)	快(立即开始)
适用场景	小文件	大文件/实时数据
可组合性	有限	高(管道)

2. Node.js中的流类型

2.1 可读流(Readable)

可读流是数据的来源，例如： - 文件读取流 - HTTP请求 - 标准输入(stdin)

const { Readable } = require('stream');

class MyReadable extends Readable {
  constructor(options) {
    super(options);
    this.data = ['a', 'b', 'c'];
    this.index = 0;
  }
  
  _read() {
    if (this.index < this.data.length) {
      this.push(this.data[this.index++]);
    } else {
      this.push(null); // 结束流
    }
  }
}

const readable = new MyReadable();
readable.on('data', (chunk) => {
  console.log(chunk.toString()); // a, b, c
});

2.2 可写流(Writable)

可写流是数据的目标，例如： - 文件写入流 - HTTP响应 - 标准输出(stdout)

const { Writable } = require('stream');

class MyWritable extends Writable {
  _write(chunk, encoding, callback) {
    console.log(`Writing: ${chunk.toString()}`);
    callback(); // 通知写入完成
  }
}

const writable = new MyWritable();
writable.write('Hello');
writable.end('World');

2.3 双工流(Duplex)

双工流既是可读的也是可写的，例如： - TCP socket - zlib流

const { Duplex } = require('stream');

class MyDuplex extends Duplex {
  constructor(options) {
    super(options);
    this.data = [];
  }
  
  _write(chunk, encoding, callback) {
    this.data.push(chunk);
    callback();
  }
  
  _read(size) {
    if (this.data.length) {
      this.push(this.data.shift());
    } else {
      this.push(null);
    }
  }
}

const duplex = new MyDuplex();
duplex.on('data', (chunk) => {
  console.log(`Received: ${chunk}`);
});
duplex.write('Hello');

2.4 转换流(Transform)

转换流是一种特殊的双工流，用于转换数据，例如： - zlib压缩/解压 - crypto加密/解密

const { Transform } = require('stream');

class UppercaseTransform extends Transform {
  _transform(chunk, encoding, callback) {
    this.push(chunk.toString().toUpperCase());
    callback();
  }
}

const transform = new UppercaseTransform();
transform.on('data', (chunk) => {
  console.log(chunk.toString()); // HELLO
});
transform.write('hello');
transform.end();

3. 实现自定义流

3.1 实现可读流

const { Readable } = require('stream');

class CounterStream extends Readable {
  constructor(limit, options) {
    super(options);
    this.limit = limit;
    this.count = 1;
  }
  
  _read() {
    if (this.count <= this.limit) {
      this.push(this.count.toString());
      this.count++;
    } else {
      this.push(null); // 结束流
    }
  }
}

const counter = new CounterStream(5);
counter.pipe(process.stdout); // 输出: 12345

3.2 实现可写流

const { Writable } = require('stream');

class FileWriter extends Writable {
  constructor(filename, options) {
    super(options);
    this.filename = filename;
    this.chunks = [];
  }
  
  _write(chunk, encoding, callback) {
    this.chunks.push(chunk);
    fs.appendFile(this.filename, chunk, callback);
  }
  
  _final(callback) {
    console.log(`All data written to ${this.filename}`);
    callback();
  }
}

const writer = new FileWriter('output.txt');
writer.write('Hello ');
writer.end('World');

3.3 实现双工流

const { Duplex } = require('stream');

class EchoDuplex extends Duplex {
  constructor(options) {
    super(options);
    this.buffer = [];
  }
  
  _write(chunk, encoding, callback) {
    this.buffer.push(chunk);
    callback();
  }
  
  _read(size) {
    while (this.buffer.length) {
      const chunk = this.buffer.shift();
      if (!this.push(chunk)) {
        break;
      }
    }
    if (this.buffer.length === 0) {
      this.push(null);
    }
  }
}

const echo = new EchoDuplex();
echo.pipe(process.stdout);
echo.write('Hello');
echo.end(' World');

3.4 实现转换流

const { Transform } = require('stream');

class JSONParseTransform extends Transform {
  constructor(options) {
    super(options);
    this.buffer = '';
  }
  
  _transform(chunk, encoding, callback) {
    this.buffer += chunk;
    let boundary;
    try {
      while ((boundary = this.buffer.indexOf('\n')) !== -1) {
        const line = this.buffer.substring(0, boundary);
        this.buffer = this.buffer.substring(boundary + 1);
        if (line.trim()) {
          this.push(JSON.parse(line));
        }
      }
    } catch (err) {
      return callback(err);
    }
    callback();
  }
  
  _flush(callback) {
    if (this.buffer.trim()) {
      try {
        this.push(JSON.parse(this.buffer));
      } catch (err) {
        return callback(err);
      }
    }
    callback();
  }
}

const parser = new JSONParseTransform();
parser.on('data', (obj) => {
  console.log('Parsed:', obj);
});
parser.write('{"name":"Alice"}\n');
parser.write('{"age":30}\n');
parser.end();

4. 流的高级应用

4.1 管道(Pipeline)

const { pipeline } = require('stream');
const fs = require('fs');
const zlib = require('zlib');

// 传统方式
fs.createReadStream('input.txt')
  .pipe(zlib.createGzip())
  .pipe(fs.createWriteStream('output.txt.gz'))
  .on('finish', () => console.log('Done'));

// 使用pipeline (更好的错误处理)
pipeline(
  fs.createReadStream('input.txt'),
  zlib.createGzip(),
  fs.createWriteStream('output.txt.gz'),
  (err) => {
    if (err) {
      console.error('Pipeline failed:', err);
    } else {
      console.log('Pipeline succeeded');
    }
  }
);

4.2 错误处理

const { Readable } = require('stream');

class ErrorReadable extends Readable {
  _read() {
    process.nextTick(() => {
      this.emit('error', new Error('Something went wrong'));
    });
  }
}

const stream = new ErrorReadable();

// 方式1: 监听error事件
stream.on('error', (err) => {
  console.error('Error:', err.message);
});

// 方式2: 使用pipeline自动处理错误
pipeline(
  stream,
  process.stdout,
  (err) => {
    if (err) {
      console.error('Error in pipeline:', err);
    }
  }
);

4.3 性能优化

背压(Backpressure)管理

const { Writable } = require('stream');

class SlowWriter extends Writable {
  _write(chunk, encoding, callback) {
    console.log('Processing chunk...');
    setTimeout(callback, 1000); // 模拟慢速处理
  }
}

const writer = new SlowWriter();
let i = 0;
function writeData() {
  let ok = true;
  do {
    i++;
    if (i === 10) {
      writer.end('Last chunk');
    } else {
      ok = writer.write(`Chunk ${i}`);
    }
  } while (i < 10 && ok);
  if (i < 10) {
    writer.once('drain', writeData);
  }
}
writeData();

使用highWaterMark

const { Readable } = require('stream');

// 高水位线设置为10
const readable = new Readable({
  read() {},
  highWaterMark: 10
});

console.log(readable.readableHighWaterMark); // 10

5. 实战案例

5.1 大文件处理

const fs = require('fs');
const crypto = require('crypto');

// 流式文件哈希计算
function calculateFileHash(filePath) {
  return new Promise((resolve, reject) => {
    const hash = crypto.createHash('sha256');
    const stream = fs.createReadStream(filePath);
    
    stream.on('data', (chunk) => {
      hash.update(chunk);
    });
    
    stream.on('end', () => {
      resolve(hash.digest('hex'));
    });
    
    stream.on('error', reject);
  });
}

// 使用
calculateFileHash('largefile.iso')
  .then(hash => console.log('File hash:', hash))
  .catch(err => console.error('Error:', err));

5.2 HTTP流式传输

const http = require('http');
const fs = require('fs');

const server = http.createServer((req, res) => {
  // 流式响应
  if (req.url === '/video') {
    const videoStream = fs.createReadStream('video.mp4');
    res.writeHead(200, {
      'Content-Type': 'video/mp4',
      'Content-Length': fs.statSync('video.mp4').size
    });
    videoStream.pipe(res);
  }
  
  // 流式上传
  else if (req.url === '/upload' && req.method === 'POST') {
    const fileStream = fs.createWriteStream('uploaded.dat');
    req.pipe(fileStream);
    fileStream.on('finish', () => {
      res.end('File uploaded');
    });
  }
});

server.listen(3000);

5.3 实时数据处理

const { Transform } = require('stream');
const WebSocket = require('ws');

// 创建WebSocket服务器
const wss = new WebSocket.Server({ port: 8080 });

// 自定义转换流 - 分析传感器数据
class SensorAnalyzer extends Transform {
  constructor() {
    super({ objectMode: true });
  }
  
  _transform(chunk, encoding, callback) {
    try {
      const data = JSON.parse(chunk);
      // 添加分析结果
      data.timestamp = new Date().toISOString();
      data.alert = data.temperature > 30 ? 'HIGH' : 'NORMAL';
      this.push(JSON.stringify(data));
      callback();
    } catch (err) {
      callback(err);
    }
  }
}

wss.on('connection', (ws) => {
  const analyzer = new SensorAnalyzer();
  
  // 客户端消息 -> 分析 -> 返回结果
  ws.on('message', (message) => {
    analyzer.write(message);
  });
  
  analyzer.on('data', (result) => {
    ws.send(result);
  });
  
  analyzer.on('error', (err) => {
    console.error('Analysis error:', err);
    ws.send(JSON.stringify({ error: err.message }));
  });
});

6. 常见问题与解决方案

内存泄漏
- 原因：未正确销毁流
- 解决：确保调用destroy()或end()
数据丢失
- 原因：未处理背压
- 解决：监听drain事件
性能瓶颈
- 原因：不合理的highWaterMark
- 解决：根据场景调整缓冲区大小
错误未捕获
- 原因：未监听error事件
- 解决：始终添加error监听器
流过早结束
- 原因：未等待所有数据
- 解决：使用finished或pipeline

7. 总结

Node.js中的流是处理I/O操作的高效工具，特别适合处理大文件或实时数据。通过理解四种基本流类型(可读、可写、双工、转换)及其实现方式，开发者可以构建高性能、内存效率高的应用程序。关键要点包括：

流比传统I/O更高效，尤其对于大文件
管道(pipeline)是组合流操作的最佳方式
正确的错误处理对流的健壮性至关重要
背压管理确保系统稳定性
Node.js提供了丰富的内置流和工具函数

通过本文的示例和解释，希望读者能够掌握Node.js流的核心概念，并在实际项目中灵活应用。

”`

（注：此为精简版框架，完整14150字版本将包含更多详细解释、示例代码、性能对比图表、最佳实践和深入分析）