浅谈Node.js：Buffer模块

Javascript在客户端对于unicode编码的数据操作支持非常友好，但是对二进制数据的处理就不尽人意。Node.js为了能够处理二进制数据或非unicode编码的数据，便设计了Buffer类，该类实现了Uint8Array接口，并对其进行了优化，它的实例类似于整型数组，但是它的大小在创建后便不可调整。在介绍Buffer如何使用之前，先介绍几个知识点。

1、V8引擎的内存使用限制

V8引擎最大堆内存使用在32位系统上默认为512M，在64位系统上是1GB，虽然可以使用--max-old-space-size参数调整该值，但还是建议要用到大内存的时候使用Buffer或Stream，因为Buffer的内存分配不在V8的堆上。

2、单个Buffer实例大小限制

单个Buffer实例的大小最大数值为1GB-1（32位系统）或2GB-1（64位系统），所以在创建Buffer实例的时候不能超过该值，或者使用readFile()方法读取大文件，否则将抛出RangeError错误。

3、8KB池

Nodejs在创建Buffer实例的时候，当用户申请的空间大于8KB，会直接调用内部的createUnsafeBuffer()方法创建一个Buffer，如果申请的空间大于0且小于4KB，新的Buffer则会建立在当前的8kb SLAB上，并更新剩余空间，如下图所示：

下面介绍Buffer API的简单使用：

1、创建Buffer实例

使用Buffer.from(), Buffer.alloc(), Buffer.allocUnsafe()等方法来创建一个Buffer实例，6.0版本以前直接使用构造函数创建的方法new Buffer()已被丢弃，不推荐使用，因为有可能会造成内存泄漏。
方法Buffer.alloc(size[, fill[, encoding]])，参数含义如下：

• size，指定buffer的长度，但不能超过buffer.kMaxLength，若不是数字则报错
• fill，指定初始化buffer的值，默认为0
• encoding，如果fill是字符串，则该参数指定fill的编码

使用如下所示：

const buf1 = Buffer.alloc(10);
console.log(buf1);//<Buffer 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00>
const buf2 = Buffer.alloc(10,'hello');
console.log(buf2);//<Buffer 68 65 6c 6c 6f 68 65 6c 6c 6f>
const buf3 = Buffer.alloc(10,'hello','base64');
console.log(buf3);//<Buffer 85 e9 65 85 e9 65 85 e9 65 85>

方法Buffer.allocUnsafe(size)，size参数指定buffer的大小，该方法返回一个没有初始化的buffer，因此可能还保留有敏感的数据，造成信息的泄漏，建议使用buffer.fill(0)函数初始化buffer，该方法与Buffer.alloc(size, fill)是不一样的，有可能使用8KB池。使用如下所示：

const buf4 = Buffer.allocUnsafe(10);
console.log(buf4);//<Buffer 68 fb 4d 00 00 00 00 00 08 00>,可以看出是有数据的
buf4.fill(0);
console.log(buf4);//<Buffer 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00>

方法Buffer.allocUnsafeSlow(size)，参数含义同上，该方法不会使用Buffer池，容易造成内存的浪费，使用如下所示：

const buf5 = Buffer.allocUnsafeSlow(10);
console.log(buf5);//<Buffer 38 00 24 00 00 00 00 00 00 00>

方法Buffer.from(value,[...])，这里分为四种情况，如下所示：

第一，value为16进制数组，将数组转化为buffer，如果不是16进制，则会进行转换，如下：

const buf6 = Buffer.from([1,2,3,5,17]);
console.log(buf6);//<Buffer 01 02 03 05 11>

第二，value为字符串，则转换字符串为buffer，该方法会使用buffer池，如下：

const buf7 = Buffer.from('hello world!');
console.log(buf7);//<Buffer 01 02 03 05 11>

第三，value为buffer实例，则将value拷贝至新的buffer中，这里只是值的拷贝，不会共享内存，如下：

const buf8 = Buffer.from('hello world');
const buf9 = Buffer.from(buf8);
console.log(buf8);//<Buffer 68 65 6c 6c 6f 20 77 6f 72 6c 64>
console.log(buf9);//<Buffer 68 65 6c 6c 6f 20 77 6f 72 6c 64>
buf9[0] = 0x66;
console.log(buf8);//<Buffer 68 65 6c 6c 6f 20 77 6f 72 6c 64>
console.log(buf9);//<Buffer 66 65 6c 6c 6f 20 77 6f 72 6c 64>

第四，value为arrayBuffer时，还有两个可选参数[, byteOffset[, length]]，byteOffset指定从arrayBuffer开始复制的位置，length复制的长度。如下：

const arr = new Uint8Array(2);
arr[0] = 128;
arr[1] = 200;
const buf10 = Buffer.from(arr,0,2);
console.log(buf10);//<Buffer 80 c8>

如果引用的是arr.buffer，则新创建的buffer buf10与arr共享内存，如下：

const arr = new Uint8Array(2);
arr[0] = 128;
arr[1] = 200;
const buf10 = Buffer.from(arr.buffer);
arr[0] = 254;
console.log(buf10);//<Buffer fe c8>

2、buffer解码

使用buf.toString([encoding[, start[, end]]])方法将buffer转换成字符串，encoding指定字符编码，默认为'utf8'，start开始位置，end结束位置（不包括），目前encoding只支持'ascii,utf8,utf16le,ucs2,base64,latin1,binary,hex'，使用如下所示：

const buf12 = Buffer.from('我爱中国');
console.log(buf12.toString('base64'));//5oiR54ix5Lit5Zu9
console.log(buf12.toString('utf8'));//我爱中国
console.log(buf12.toString('hex'));//e68891e788b1e4b8ade59bbd

3、buffer拼接、复制、填充、分割

方法buf.fill(value[, offset[, end]][, encoding])使用指定的值填充buffer，参数offset指定填充的起始位置，end为结束位置，使用如下所示：

console.log(Buffer.allocUnsafe(5).fill('a').toString());//aaaaa
console.log(Buffer.allocUnsafe(5).fill(65).toString('utf8'));//AAAAA

方法Buffer.concat(list[, totalLength])将多个buffer合并在一起，并返回一个新的buffer实例，参数totalLength为指定的buffers的长度总和，如果不提供该值，函数内部会循环去获取每一个buffer的长度，然后进行拼接，因此为了速度，最好指定一个总长度，使用如下：

function bufferInjoin(buffArr){
  var len = 0;
  buffArr.forEach((buff,idx,arr)=>{
    len+=buff.length;
  });
  var buffer = Buffer.concat(buffArr,len);
  return buffer;
}
var buff = bufferInjoin([Buffer.from('hehe'),Buffer.allocUnsafe(5).fill('a')]);
console.log(buff);//<Buffer 68 65 68 65 61 61 61 61 61>
console.log(buff.length);//9
console.log(buff.toString());//heheaaaaa

方法buf.copy(target[, targetStart[, sourceStart[, sourceEnd]]])可以实现buf到target的复制，参数含义如下：

• target，复制目标
• targetStart，复制目标开始被覆盖的位置
• sourceStart，复制源开始复制的位置
• sourceEnd，复制源复制结束的位置
  

使用如下所示：

const buf1 = Buffer.from('hello world!');
const buf2 = Buffer.allocUnsafe(5).fill('x');
buf1.copy(buf2,0,0,5);
console.log(buf2.toString());//hello

方法buf.slice([start[, end]])可以分割buffer，返回一个新的buffer，但是仍然是引用原buffer，因此改变原buffer数据，该新buffer也会跟着改变，如果参数start，end为负数，则先要加上buffer的长度再进行计算，如下所示：

const buf1 = Buffer.from('hello world.');
const buf2 = buf1.slice(0);
console.log(buf2);//<Buffer 68 65 6c 6c 6f 20 77 6f 72 6c 64 2e>
buf2[0] = 88;
console.log(buf1);//<Buffer 58 65 6c 6c 6f 20 77 6f 72 6c 64 2e>
const buf3 = buf1.slice(-6,-1);
console.log(buf3.toString());//world

3、buffer读写

buffer写操作通过write开头的写api来完成，主要有以下这些：

• buf.write(string[, offset[, length]][, encoding])，向buffer写入字符串
• buf.writeDoubleBE(value, offset[, noAssert])写入64位浮点型数字，大端对齐
• buf.writeDoubleLE(value, offset[, noAssert])，写入64位浮点型数字，小端对齐
• buf.writeFloatBE(value, offset[, noAssert])，写入32位浮点型数字，大端对齐
• buf.writeFloatLE(value, offset[, noAssert])，写入32位浮点型数字，小端对齐
• buf.writeInt8(value, offset[, noAssert])，写入有符号8位整型数字
• buf.writeInt16BE(value, offset[, noAssert])，写入有符号16位整型数字，大端对齐
• buf.writeInt16LE(value, offset[, noAssert])，写入有符号16位整型数字，小端对齐
• buf.writeInt32BE(value, offset[, noAssert])，写入有符号32位整型数字，大端对齐
• buf.writeInt32LE(value, offset[, noAssert])，写入有符号32位整型数字，小端对齐
• buf.writeIntBE(value, offset, byteLength[, noAssert])，以下便不再累述
• buf.writeIntLE(value, offset, byteLength[, noAssert])
• buf.writeUInt8(value, offset[, noAssert])
• buf.writeUInt16BE(value, offset[, noAssert])
• buf.writeUInt16LE(value, offset[, noAssert])
• buf.writeUInt32BE(value, offset[, noAssert])
• buf.writeUInt32LE(value, offset[, noAssert])
• buf.writeUIntBE(value, offset, byteLength[, noAssert])
• buf.writeUIntLE(value, offset, byteLength[, noAssert])

buffer读操作由read开头的api完成，主要有以下这些：

• buf.readDoubleBE(offset[, noAssert])
• buf.readDoubleLE(offset[, noAssert])
• buf.readFloatBE(offset[, noAssert])
• buf.readFloatLE(offset[, noAssert])
• buf.readInt8(offset[, noAssert])
• buf.readInt16BE(offset[, noAssert])
• buf.readInt16LE(offset[, noAssert])
• buf.readInt32BE(offset[, noAssert])
• buf.readInt32LE(offset[, noAssert])
• buf.readIntBE(offset, byteLength[, noAssert])
• buf.readIntLE(offset, byteLength[, noAssert])
• buf.readUInt8(offset[, noAssert])
• buf.readUInt16BE(offset[, noAssert])
• buf.readUInt16LE(offset[, noAssert])
• buf.readUInt32BE(offset[, noAssert])
• buf.readUInt32LE(offset[, noAssert])
• buf.readUIntBE(offset, byteLength[, noAssert])
• buf.readUIntLE(offset, byteLength[, noAssert])

使用如下所示,以32无符号整型为例：

const buf = Buffer.allocUnsafe(8);
buf.writeUInt32BE(0x12345678,0)
console.log(buf);
const data = buf.readUInt32BE(0);
console.log(data.toString(16));

最后利用buffer读API完成一个获取PNG格式图片尺寸的小工具，在开始编码之前，先简单介绍下PNG文件组成，如下所示：

这里我们只要用到PNG文件标识和PNG数据块的第一个块IHDR文件头数据块。文件标识是固定的8个字节，为89 50 4E 47 0D 0A 1A 0A，IHDR数据块的长度为13个字节，格式如下：

开始编码，如下所示：

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

const argvs = process.argv.slice(2);
if(argvs.length<=0){
  console.error('请输入图片：png.js img1 img2 ...');
  process.exit(-1);
}
argvs.forEach((img,idx,arr)=>{
  var stat = fs.statSync(img);
  fs.open(img,'r',(err,fd)=>{
    if(err) throw err;
    var buff = Buffer.alloc(stat.size);
    fs.read(fd,buff,0,stat.size,0,(err, bytesRead, buffer)=>{
      if(err) throw err;
      fs.close(fd,()=>{});
      getImgDimension(buff,(err,dimension)=>{
        if(err) throw err;
        console.log(`${img}的尺寸为：${dimension.width}x${dimension.height}`);
      });
    });
  });
});
function getImgDimension(buff,cb){
  if((buff.toString('utf8',1,8) === 'PNG\r\n\x1a\n') && (buff.toString('utf8',12,16) === 'IHDR')){
    return cb(null,{
      width:buff.readUInt32BE(16),
      height:buff.readUInt32BE(20)
    }),!0;
  }else{
    return cb(new Error('不是PNG图片'),{}),!1;
  }
}

执行结果如下：

E:\developmentdocument\nodejsdemo>node png.js 20160824083157.png 下载.png
20160824083157.png的尺寸为：195x195
下载.png的尺寸为：720x600

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