Node.js Buffer(缓冲区) 原理与用法实例详解

JavaScript 语言自身只有字符串数据类型，没有二进制数据类型。

但在处理像TCP流或文件流时，必须使用到二进制数据。因此在 Node.js中，定义了一个 Buffer 类，该类用来创建一个专门存放二进制数据的缓存区。

在 Node.js 中，Buffer 类是随 Node 内核一起发布的核心库。Buffer 库为 Node.js 带来了一种存储原始数据的方法，可以让 Node.js 处理二进制数据，每当需要在 Node.js 中处理I/O操作中移动的数据时，就有可能使用 Buffer 库。原始数据存储在 Buffer 类的实例中。一个 Buffer 类似于一个整数数组，但它对应于 V8 堆内存之外的一块原始内存。

 在v6.0之前创建Buffer对象直接使用new Buffer()构造函数来创建对象实例，但是Buffer对内存的权限操作相比很大，可以直接捕获一些敏感信息，所以在v6.0以后，官方文档里面建议使用 Buffer.from()  接口去创建Buffer对象。

Buffer 与字符编码

Buffer 实例一般用于表示编码字符的序列，比如 UTF-8 、 UCS2 、 Base64 、或十六进制编码的数据。 通过使用显式的字符编码，就可以在 Buffer 实例与普通的 JavaScript 字符串之间进行相互转换。

const buf = Buffer.from('phpcodeweb', 'ascii');

// 输出 706870636f6465776562
console.log(buf.toString('hex'));
// 输出 cGhwY29kZXdlYg==
console.log(buf.toString('base64'));

Node.js 目前支持的字符编码包括：

1. ascii - 仅支持 7 位 ASCII 数据。如果设置去掉高位的话，这种编码是非常快的。
2. utf8 - 多字节编码的 Unicode 字符。许多网页和其他文档格式都使用 UTF-8 。
3. utf16le - 2 或 4 个字节，小字节序编码的 Unicode 字符。支持代理对（U+10000 至 U+10FFFF）。
4. ucs2 - utf16le 的别名。
5. base64 - Base64 编码。
6. latin1 - 一种把 Buffer 编码成一字节编码的字符串的方式。
7. binary - latin1 的别名。
8. hex - 将每个字节编码为两个十六进制字符。

创建 Buffer 类

Buffer 提供了以下 API 来创建 Buffer 类：

1. Buffer.alloc(size[, fill[, encoding]])： 返回一个指定大小的 Buffer 实例，如果没有设置 fill，则默认填满 0
2. Buffer.allocUnsafe(size)： 返回一个指定大小的 Buffer 实例，但是它不会被初始化，所以它可能包含敏感的数据
3. Buffer.allocUnsafeSlow(size)
4. Buffer.from(array)： 返回一个被 array 的值初始化的新的 Buffer 实例（传入的 array 的元素只能是数字，不然就会自动被 0 覆盖）
5. Buffer.from(arrayBuffer[, byteOffset[, length]])： 返回一个新建的与给定的 ArrayBuffer 共享同一内存的 Buffer。
6. Buffer.from(buffer)： 复制传入的 Buffer 实例的数据，并返回一个新的 Buffer 实例
7. Buffer.from(string[, encoding])： 返回一个被 string 的值初始化的新的 Buffer 实例

// 创建一个长度为 10、且用 0 填充的 Buffer。
const buf1 = Buffer.alloc(10);
// 创建一个长度为 10、且用 0x1 填充的 Buffer。
const buf2 = Buffer.alloc(10, 1);
// 创建一个长度为 10、且未初始化的 Buffer。
// 这个方法比调用 Buffer.alloc() 更快，
// 但返回的 Buffer 实例可能包含旧数据，
// 因此需要使用 fill() 或 write() 重写。
const buf3 = Buffer.allocUnsafe(10);
// 创建一个包含 [0x1, 0x2, 0x3] 的 Buffer。
const buf4 = Buffer.from([1, 2, 3]);
// 创建一个包含 UTF-8 字节 [0x74, 0xc3, 0xa9, 0x73, 0x74] 的 Buffer。
const buf5 = Buffer.from('tést');
// 创建一个包含 Latin-1 字节 [0x74, 0xe9, 0x73, 0x74] 的 Buffer。
const buf6 = Buffer.from('tést', 'latin1');

写入缓冲区

语法

写入 Node 缓冲区的语法如下所示：

buf.write(string[, offset[, length]][, encoding])

参数

参数描述如下：

1. string - 写入缓冲区的字符串。
2. offset - 缓冲区开始写入的索引值，默认为 0 。
3. length - 写入的字节数，默认为 buffer.length
4. encoding - 使用的编码。默认为 'utf8' 。

根据 encoding 的字符编码写入 string 到 buf 中的 offset 位置。 length 参数是写入的字节数。 如果 buf 没有足够的空间保存整个字符串，则只会写入 string 的一部分。 只部分解码的字符不会被写入。

返回值

返回实际写入的大小。如果 buffer 空间不足， 则只会写入部分字符串。

示例代码：

const buf = Buffer.alloc(256);
let len = buf.write("www.phpcodeweb.com");

console.log("写入字节数 : "+  len);

执行以上代码，输出结果为：

$node main.js
写入字节数 : 18

从缓冲区读取数据

语法

读取 Node 缓冲区数据的语法如下所示：

buf.toString([encoding[, start[, end]]])

参数

参数描述如下：

1. encoding - 使用的编码。默认为 'utf8' 。
2. start - 指定开始读取的索引位置，默认为 0。
3. end - 结束位置，默认为缓冲区的末尾。

返回值

解码缓冲区数据并使用指定的编码返回字符串。

示例代码：

buf = Buffer.alloc(26);
for (var i = 0 ; i < 26 ; i++) {
  buf[i] = i + 97;
}
console.log( buf.toString('ascii'));       // 输出: abcdefghijklmnopqrstuvwxyz
console.log( buf.toString('ascii',0,5));   //使用 'ascii' 编码, 并输出: abcde
console.log( buf.toString('utf8',0,5));    // 使用 'utf8' 编码, 并输出: abcde
console.log( buf.toString(undefined,0,5)); // 使用默认的 'utf8' 编码, 并输出: abcde

执行以上代码，输出结果为：

$ node main.js
abcdefghijklmnopqrstuvwxyz
abcde
abcde
abcde

将 Buffer 转换为 JSON 对象

语法

将 Node Buffer 转换为 JSON 对象的函数语法格式如下：

buf.toJSON()

当字符串化一个 Buffer 实例时，JSON.stringify() 会隐式地调用该 toJSON()。

返回值

返回 JSON 对象。

示例代码：

const buf = Buffer.from([0x1, 0x2, 0x3, 0x4, 0x5]);
const json = JSON.stringify(buf);
// 输出: {"type":"Buffer","data":[1,2,3,4,5]}
console.log(json);
const copy = JSON.parse(json, (key, value) => {
  return value && value.type === 'Buffer' ?
    Buffer.from(value.data) :
    value;
});
// 输出: <Buffer 01 02 03 04 05>
console.log(copy);

执行以上代码，输出结果为：

{"type":"Buffer","data":[1,2,3,4,5]}
<Buffer 01 02 03 04 05>

缓冲区合并

语法

Node 缓冲区合并的语法如下所示：

Buffer.concat(list[, totalLength])

参数

参数描述如下：

1. list - 用于合并的 Buffer 对象数组列表。
2. totalLength - 指定合并后Buffer对象的总长度。

返回值

返回一个多个成员合并的新 Buffer 对象。

示例代码：

var buffer1 = Buffer.from(('phpcodeweb编程'));
var buffer2 = Buffer.from(('www.phpcodeweb.com'));
var buffer3 = Buffer.concat([buffer1,buffer2]);
console.log("buffer3 内容: " + buffer3.toString());

执行以上代码，输出结果为：

buffer3内容：phpcodeweb编程www.phpcodeweb.com

缓冲区比较

语法

Node Buffer 比较的函数语法如下所示, 该方法在 Node.js v0.12.2 版本引入：

buf.compare(otherBuffer);

参数

参数描述如下：

1. otherBuffer - 与 buf 对象比较的另外一个 Buffer 对象。

返回值

返回一个数字，表示 buf 在 otherBuffer 之前，之后或相同。

示例代码：

var buffer1 = Buffer.from('ABC');
var buffer2 = Buffer.from('ABCD');
var result = buffer1.compare(buffer2);
if(result < 0) {
   console.log(buffer1 + " 在 " + buffer2 + "之前");
}else if(result == 0){
   console.log(buffer1 + " 与 " + buffer2 + "相同");
}else {
   console.log(buffer1 + " 在 " + buffer2 + "之后");
}

执行以上代码，输出结果为：

ABC在ABCD之前

拷贝缓冲区

语法

Node 缓冲区拷贝语法如下所示：

buf.copy(targetBuffer[, targetStart[, sourceStart[, sourceEnd]]])

参数

参数描述如下：

1. targetBuffer - 要拷贝的 Buffer 对象。
2. targetStart - 数字, 可选, 默认: 0
3. sourceStart - 数字, 可选, 默认: 0
4. sourceEnd - 数字, 可选, 默认: buffer.length

返回值

没有返回值。

示例代码：

var buf1 = Buffer.from('abcdefghijkl');
var buf2 = Buffer.from("PHPCODEWEB");
//将 buf2 插入到 buf1 指定位置上
buf2.copy(buf1, 2);
console.log(buf1.toString());

执行以上代码，输出结果为：

abPHPCODEWEB

缓冲区裁剪

Node 缓冲区裁剪语法如下所示：

buf.slice([start[, end]])

参数

参数描述如下：

1. start - 数字, 可选, 默认: 0
2. end - 数字, 可选, 默认: buffer.length

返回值

返回一个新的缓冲区，它和旧缓冲区指向同一块内存，但是从索引 start 到 end 的位置剪切。

示例代码：

var buffer1 = Buffer.from('phpcodeweb');
// 剪切缓冲区
var buffer2 = buffer1.slice(0,2);
console.log("buffer2 content: " + buffer2.toString());

执行以上代码，输出结果为：

buffer2 content: ph

缓冲区长度

语法

Node 缓冲区长度计算语法如下所示：

buf.length;

返回值

返回 Buffer 对象所占据的内存长度。

示例代码：

var buffer = Buffer.from('www.phpcodeweb.com');
//  缓冲区长度
console.log("buffer length: " + buffer.length);

执行以上代码，输出结果为：

buffer length: 18

方法参考手册

以下列出了 Node.js Buffer 模块常用的方法（注意有些方法在旧版本是没有的）：

const buf = Buffer.allocUnsafe(6);
buf.writeUIntLE(0x1234567890ab, 0, 6);
// 输出: <Buffer ab 90 78 56 34 12>
console.log(buf);

const buf = Buffer.allocUnsafe(6);
buf.writeUIntBE(0x1234567890ab, 0, 6);
// 输出: <Buffer 12 34 56 78 90 ab>
console.log(buf);