[Node.js源码解读(3)]Buffer的8KB池分配规则和固定位数字的读写

2022-03-21 22:28:03

原作者：*。

经原作者授权连载于alinode官方博客，未经原作者允许，不得转载。

在 Node.js 中，Buffer 常常用来存储一些潜在的大体积数据，例如，文件和网络 I/O 所获取来的数据，若不指定编码，则都以 Buffer 的形式来提供，可见其地位非同一般。你或许听说过，Buffer 的创建，是可能会经过内部的一个 8KB 池的，那么具体的规则是什么呢？可以创建一个新 Buffer 实例的 API 那么多，到底哪些 API 会经过，哪些又不会经过呢？或许你在阅读文档时，还看到过许多形如 Buffer#writeUInt32BE ， Buffer#readUInt32BE 等等这类固定位的数字的读写操作，它们具体是如何实现的呢？

现在让我们一起跟着 Node.js 项目中 lib/buffer.js 中的代码，来一探究竟。

8KB 池分配规则

统计一下，当前版本的 Node.js （v6.0）中可以创建一个新 Buffer 类实例的 API 有：

new Buffer() （已不推荐使用，可能会泄露内存中潜在的敏感信息，具体例子可以看这里）
Buffer.alloc()
Buffer.allocUnsafe()（虽然也有泄露内存中敏感信息的可能，但语义上非常明确）
Buffer.from()
Buffer.concat()

跟着代码追溯，这些 API 最后都会走进两个内部函数中的一个，来创建 Buffer 实例，这两个内部函数分别是 createBuffer() 和 allocate()：

// lib/buffer.js
// ...

Buffer.poolSize = 8 * 1024;
var poolSize, poolOffset, allocPool;

function createPool() {
  poolSize = Buffer.poolSize;
  allocPool = createBuffer(poolSize, true);
  poolOffset = 0;
}
createPool();

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;
  }
}

function allocate(size) {
  if (size === 0) {
    return createBuffer(size);
  }
  if (size < (Buffer.poolSize >>> 1)) {
    if (size > (poolSize - poolOffset))
      createPool();
    var b = allocPool.slice(poolOffset, poolOffset + size);
    poolOffset += size;
    alignPool();
    return b;
  } else {
    return createBuffer(size, true);
  }
}

通过代码可以清楚的看到，若最后创建时，走的是 createBuffer() 函数，则不经过 8KB 池，若走 allocate() 函数，当传入的数据大小小于 Buffer.poolSize 有符号右移 1 位后的结果（相当于将该值除以 2 再向下取整，在本例中，为 4 KB），才会使用到 8KB 池（若当前池剩余空间不足，则创建一个新的，并将当前池指向新池）。

那么现在让我们来看看，这些 API 都走的是哪些方法：

// lib/buffer.js
// ...

Buffer.alloc = function(size, fill, encoding) {
  // ...
  return createBuffer(size);
};

Buffer.allocUnsafe = function(size) {
  assertSize(size);
  return allocate(size);
};

Buffer.from = function(value, encodingOrOffset, length) {
  // ...
  if (value instanceof ArrayBuffer)
    return fromArrayBuffer(value, encodingOrOffset, length);

  if (typeof value === 'string')
    return fromString(value, encodingOrOffset);

  return fromObject(value);
};

function fromArrayBuffer(obj, byteOffset, length) {
  byteOffset >>>= 0;

  if (typeof length === 'undefined')
    return binding.createFromArrayBuffer(obj, byteOffset);

  length >>>= 0;
  return binding.createFromArrayBuffer(obj, byteOffset, length);
}

function fromString(string, encoding) {
  // ...
  if (length >= (Buffer.poolSize >>> 1))
    return binding.createFromString(string, encoding);

  if (length > (poolSize - poolOffset))
    createPool();
  var actual = allocPool.write(string, poolOffset, encoding);
  var b = allocPool.slice(poolOffset, poolOffset + actual);
  poolOffset += actual;
  alignPool();
  return b;
}

Buffer.concat = function(list, length) {
  // ...
  var buffer = Buffer.allocUnsafe(length);
  // ...
  return buffer;
};

挺一目了然的，让我们来总结一下，当在以下情况同时都成立时，创建的新的 Buffer 类实例才会经过内部 8KB 池：

通过 Buffer.allocUnsafe，Buffer.concat，Buffer.from（参数不为一个 ArrayBuffer 实例）和 new Buffer（参数不为一个 ArrayBuffer 实例）创建。
传入的数据大小不为 0 。
且传入数据的大小必须小于 4KB 。

那些固定位数字读写 API

当你在阅读 Buffer 的文档时，看到诸如 Buffer#writeUInt32BE，Buffer#readUInt32BE 这样的 API 时，可能会想到 ES6 规范中的 DateView 类提供的那些方法。其实它们做的事情十分相似，Node.js 项目中甚至还有将这些 API 的底层都替换成原生的 DateView 实例来操作的 PR ，但该 PR 目前已被标记为 stalled ，具体原因大致是：

没有显著的性能提升。
会在实例被初始化后又增加新的属性。
noAssert 参数将会失效。

先不管这个 PR ，其实，这些读写操作，若数字的精度在 32 位以下，则对应方法都是由 JavaScript 实现的，十分优雅，利用了 TypeArray 下那些类（Buffer 中使用的是 Uint8Array）的实例中的元素，在位溢出时，会抛弃溢出位的机制。以 writeUInt32LE 和 writeUInt32BE （LE 和 BE 即小端字节序和大端字节序，可以参阅这篇文章）为例，一个 32 位无符号整数需要 4 字节存储，大端字节序时，则第一个元素为直接将传入的 32 位整数无符号右移 24 位，获取到原最左的 8 位，抛弃当下左边的所有位。以此类推，第二个元素为无符号右移 16 位，第三个元素为 8 位，第四个元素无需移动（小端字节序则相反）：

Buffer.prototype.writeUInt32BE = function(value, offset, noAssert) {
  value = +value;
  offset = offset >>> 0;
  if (!noAssert)
    checkInt(this, value, offset, 4, 0xffffffff, 0);
  this[offset] = (value >>> 24);
  this[offset + 1] = (value >>> 16);
  this[offset + 2] = (value >>> 8);
  this[offset + 3] = value;
  return offset + 4;
};

读操作与之对应，使用了无符号左移后腾出空位再进行 | 操作合并：

Buffer.prototype.readUInt32BE = function(offset, noAssert) {
  offset = offset >>> 0;
  if (!noAssert)
    checkOffset(offset, 4, this.length);

  return (this[offset] * 0x1000000) +
      ((this[offset + 1] << 16) |
      (this[offset + 2] << 8) |
      this[offset + 3]);
};

其中的 (this[offset] * 0x1000000) + 相当于 this[offset] << 24 | 。

最后

参考：

https://github.com/nodejs/node/blob/master/lib/buffer.js

码农公寓

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