如何用Node.js編寫內存效率高的應用程序

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前言

軟件應用程序在計算機的主存儲器中運行，我們稱之為隨機存取存儲器(RAM)。JavaScript，尤其是 Nodejs（服務端js）允許我們為終端用戶編寫從小型到大型的軟件項目。處理程序的內存總是一個棘手的問題，因為糟糕的實現可能會阻塞在給定服務器或系統上運行的所有其他應用程序。C 和 C++程序員確實關心內存管理，因為隱藏在代碼的每個角落都有可能出現可怕的內存泄漏。但是對於 JS 開發者來說，你真的有關心過這個問題嗎？

由於 JS 開發人員通常在專用的高容量服務器上進行 web 服務器編程，他們可能不會察覺多任務處理的延遲。比方說在開發 web 服務器的情況下，我們也會運行多個應用程序，如數據庫服務器( MySQL )、緩存服務器( Redis )和其他需要的應用。我們需要知道它們也會消耗可用的主內存。如果我們隨意地編寫應用程序，很可能會降低其他進程的性能，甚至讓內存完全拒絕對它們的分配。在本文中，我們通過解決一個問題來瞭解 NodeJS 的流、緩沖區和管道等結構，並瞭解它們分別如何支持編寫內存有效的應用程序。

問題：大文件復制

如果有人被要求用 NodeJS 寫一段文件復制的程序，那麼他會迅速寫出下面這段代碼：

const fs = require('fs');

let fileName = process.argv[2];
let destPath = process.argv[3];

fs.readFile(fileName, (err, data) => {
    if (err) throw err;

    fs.writeFile(destPath || 'output', data, (err) => {
        if (err) throw err;
    });
    
    console.log('New file has been created!');
});

這段代碼簡單地根據輸入的文件名和路徑，在嘗試對文件讀取後把它寫入目標路徑，這對於小文件來說是不成問題的。

現在假設我們有一個大文件（大於4 GB）需要用這段程序來進行備份。就以我的一個達 7.4G 的超高清4K 電影為例子好瞭，我用上述的程序代碼把它從當前目錄復制到別的目錄。

$ node basic_copy.js cartoonMovie.mkv ~/Documents/bigMovie.mkv

然後在 Ubuntu（Linux ）系統下我得到瞭這段報錯：

/home/shobarani/Workspace/basic_copy.js:7

    if (err) throw err;

             ^

RangeError: File size is greater than possible Buffer: 0x7fffffff bytes

    at FSReqWrap.readFileAfterStat [as oncomplete] (fs.js:453:11)

正如你看到的那樣，由於 NodeJS 最大隻允許寫入 2GB 的數據到它的緩沖區，導致瞭錯誤發生在讀取文件的過程中。為瞭解決這個問題，當你在進行 I/O 密集操作的時候（復制、處理、壓縮等），最好考慮一下內存的情況。

NodeJS 中的 Streams 和 Buffers

為瞭解決上述問題，我們需要一個辦法把大文件切成許多文件塊，同時需要一個數據結構去存放這些文件塊。一個 buffer 就是用來存儲二進制數據的結構。接下來，我們需要一個讀寫文件塊的方法，而 Streams 則提供瞭這部分能力。

Buffers（緩沖區）

我們能夠利用 Buffer 對象輕松地創建一個 buffer。

let buffer = new Buffer(10); # 10 為 buffer 的體積
console.log(buffer); # prints <Buffer 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00>

在新版本的 NodeJS （>8）中，你也可以這樣寫。

let buffer = new Buffer.alloc(10);
console.log(buffer); # prints <Buffer 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00>

如果我們已經有瞭一些數據，比如數組或者別的數據集，我們可以為它們創建一個 buffer。

let name = 'Node JS DEV';
let buffer = Buffer.from(name);
console.log(buffer) # prints <Buffer 4e 6f 64 65 20 4a 53 20 44 45 5>

Buffers 有一些如buffer.toString()和buffer.toJSON()之類的重要方法，能夠深入到其所存儲的數據當中去。

我們不會為瞭優化代碼而去直接創建原始 buffer。NodeJS 和 V8 引擎在處理 streams 和網絡 socket 的時候就已經在創建內部緩沖區（隊列）中實現瞭這一點。

Streams（流）

簡單來說，流就像 NodeJS 對象上的任意門。在計算機網絡中，入口是一個輸入動作，出口是一個輸出動作。我們接下來將繼續使用這些術語。

流的類型總共有四種：

  • 可讀流（用於讀取數據）
  • 可寫流（用於寫入數據）
  • 雙工流（同時可用於讀寫）
  • 轉換流（一種用於處理數據的自定義雙工流，如壓縮，檢查數據等）

下面這句話可以清晰地闡述為什麼我們應該使用流。

Stream API (尤其是stream.pipe()方法)的一個重要目標是將數據緩沖限制在可接受的水平，這樣不同速度的源和目標就不會阻塞可用內存。

我們需要一些辦法去完成任務而不至於壓垮系統。這也是我們在文章開頭就已經提到過的。

上面的示意圖中我們有兩個類型的流，分別是可讀流和可寫流。.pipe()方法是一個非常基本的方法，用於連接可讀流和可寫流。如果你不明白上面的示意圖，也沒關系，在看完我們的例子以後，你可以回到示意圖這裡來，那個時候一切都會顯得理所當然。管道是一種引人註目的機制，下面我們用兩個例子來說明它。

解法1（簡單地使用流來復制文件）

讓我們設計一種解法來解決前文中大文件復制的問題。首先我們要創建兩個流，然後執行接下來的幾個步驟。

1.監聽來自可讀流的數據塊

2.把數據塊寫進可寫流

3.跟蹤文件復制的進度

我們把這段代碼命名為streams_copy_basic.js

/*
    A file copy with streams and events - Author: Naren Arya
*/

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

let fileName = process.argv[2];
let destPath = process.argv[3];

const readabale = fs.createReadStream(fileName);
const writeable = fs.createWriteStream(destPath || "output");

fs.stat(fileName, (err, stats) => {
    this.fileSize = stats.size;
    this.counter = 1;
    this.fileArray = fileName.split('.');
    
    try {
        this.duplicate = destPath + "/" + this.fileArray[0] + '_Copy.' + this.fileArray[1];
    } catch(e) {
        console.exception('File name is invalid! please pass the proper one');
    }
    
    process.stdout.write(`File: ${this.duplicate} is being created:`);
    
    readabale.on('data', (chunk)=> {
        let percentageCopied = ((chunk.length * this.counter) / this.fileSize) * 100;
        process.stdout.clearLine();  // clear current text
        process.stdout.cursorTo(0);
        process.stdout.write(`${Math.round(percentageCopied)}%`);
        writeable.write(chunk);
        this.counter += 1;
    });
    
    readabale.on('end', (e) => {
        process.stdout.clearLine();  // clear current text
        process.stdout.cursorTo(0);
        process.stdout.write("Successfully finished the operation");
        return;
    });
    
    readabale.on('error', (e) => {
        console.log("Some error occured: ", e);
    });
    
    writeable.on('finish', () => {
        console.log("Successfully created the file copy!");
    });
    
});

在這段程序中，我們接收用戶傳入的兩個文件路徑（源文件和目標文件），然後創建瞭兩個流，用於把數據塊從可讀流運到可寫流。然後我們定義瞭一些變量去追蹤文件復制的進度，然後輸出到控制臺（此處為 console）。與此同時我們還訂閱瞭一些事件：

data：當一個數據塊被讀取時觸發

end：當一個數據塊被可讀流所讀取完的時候觸發

error：當讀取數據塊的時候出錯時觸發

運行這段程序，我們可以成功地完成一個大文件（此處為7.4 G）的復制任務。

$ time node streams_copy_basic.js cartoonMovie.mkv ~/Documents/4kdemo.mkv

然而，當我們通過任務管理器觀察程序在運行過程中的內存狀況時，依舊有一個問題。

4.6GB？我們的程序在運行時所消耗的內存，在這裡是講不通的，以及它很有可能會卡死其他的應用程序。

發生瞭什麼？

如果你有仔細觀察上圖中的讀寫率，你會發現一些端倪。

Disk Read: 53.4 MiB/s

Disk Write: 14.8 MiB/s

這意味著生產者正在以更快的速度生產，而消費者無法跟上這個速度。計算機為瞭保存讀取的數據塊，將多餘的數據存儲到機器的RAM中。這就是RAM出現峰值的原因。

上述代碼在我的機器上運行瞭3分16秒……

17.16s user 25.06s system 21% cpu 3:16.61 total

解法2（基於流和自動背壓的文件復制）

為瞭克服上述問題，我們可以修改程序來自動調整磁盤的讀寫速度。這個機制就是背壓。我們不需要做太多，隻需將可讀流導入可寫流即可，NodeJS 會負責背壓的工作。

讓我們將這個程序命名為streams_copy_efficient.js

/*
    A file copy with streams and piping - Author: Naren Arya
*/

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

let fileName = process.argv[2];
let destPath = process.argv[3];

const readabale = fs.createReadStream(fileName);
const writeable = fs.createWriteStream(destPath || "output");

fs.stat(fileName, (err, stats) => {
    this.fileSize = stats.size;
    this.counter = 1;
    this.fileArray = fileName.split('.');
    
    try {
        this.duplicate = destPath + "/" + this.fileArray[0] + '_Copy.' + this.fileArray[1];
    } catch(e) {
        console.exception('File name is invalid! please pass the proper one');
    }
    
    process.stdout.write(`File: ${this.duplicate} is being created:`);
    
    readabale.on('data', (chunk) => {
        let percentageCopied = ((chunk.length * this.counter) / this.fileSize) * 100;
        process.stdout.clearLine();  // clear current text
        process.stdout.cursorTo(0);
        process.stdout.write(`${Math.round(percentageCopied)}%`);
        this.counter += 1;
    });
    
    readabale.pipe(writeable); // Auto pilot ON!
    
    // In case if we have an interruption while copying
    writeable.on('unpipe', (e) => {
        process.stdout.write("Copy has failed!");
    });
    
});

在這個例子中，我們用一句代碼替換瞭之前的數據塊寫入操作。

readabale.pipe(writeable); // Auto pilot ON!

這裡的pipe就是所有魔法發生的原因。它控制瞭磁盤讀寫的速度以至於不會阻塞內存（RAM）。

運行一下。

$ time node streams_copy_efficient.js cartoonMovie.mkv ~/Documents/4kdemo.mkv

我們復制瞭同一個大文件（7.4 GB），讓我們來看看內存利用率。

震驚！現在 Node 程序僅僅占用瞭61.9 MiB 的內存。如果你觀察到讀寫速率的話：

Disk Read: 35.5 MiB/s

Disk Write: 35.5 MiB/s

在任意給定的時間內，因為背壓的存在，讀寫速率得以保持一致。更讓人驚喜的是，這段優化後的程序代碼整整比之前的快瞭13秒。

12.13s user 28.50s system 22% cpu 3:03.35 total

由於 NodeJS 流和管道，內存負載減少瞭98.68%，執行時間也減少瞭。這就是為什麼管道是一個強大的存在。

61.9 MiB 是由可讀流創建的緩沖區大小。我們還可以使用可讀流上的 read 方法為緩沖塊分配自定義大小。

const readabale = fs.createReadStream(fileName);
readable.read(no_of_bytes_size);

除瞭本地文件的復制以外，這個技術還可以用於優化許多 I/O 操作的問題：

  • 處理從卡夫卡到數據庫的數據流
  • 處理來自文件系統的數據流，動態壓縮並寫入磁盤
  • 更多……

結論

我寫這篇文章的動機，主要是為瞭說明即使 NodeJS 提供瞭很好的 API，我們也可能會一不留神就寫出性能很差的代碼。如果我們能更多地關註其內置的工具，我們便可以更好地優化程序的運行方式。

以上就是如何用Node.js編寫內存效率高的應用程序的詳細內容，更多關於Node.js的資料請關註WalkonNet其它相關文章！

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