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@polaris1119 @yhyddr @niyanchun @stamnug
468 lines (383 sloc) 22.2 KB

1.4 bufio — 缓存IO

bufio 包实现了缓存IO。它包装了 io.Reader 和 io.Writer 对象,创建了另外的Reader和Writer对象,它们也实现了 io.Reader 和 io.Writer 接口,不过它们是有缓存的。该包同时为文本I/O提供了一些便利操作。

1.4.1 Reader 类型和方法

bufio.Reader 结构包装了一个 io.Reader 对象,提供缓存功能,同时实现了 io.Reader 接口。

Reader 结构没有任何导出的字段,结构定义如下:

	type Reader struct {
		buf          []byte		// 缓存
		rd           io.Reader	// 底层的io.Reader
		// r:从buf中读走的字节(偏移);w:buf中填充内容的偏移;
		// w - r 是buf中可被读的长度(缓存数据的大小),也是Buffered()方法的返回值
		r, w         int
		err          error		// 读过程中遇到的错误
		lastByte     int		// 最后一次读到的字节(ReadByte/UnreadByte)
		lastRuneSize int		// 最后一次读到的Rune的大小 (ReadRune/UnreadRune)
	}

1.4.1.1 实例化

bufio 包提供了两个实例化 bufio.Reader 对象的函数:NewReader 和 NewReaderSize。其中,NewReader 函数是调用 NewReaderSize 函数实现的:

	func NewReader(rd io.Reader) *Reader {
		// 默认缓存大小:defaultBufSize=4096
		return NewReaderSize(rd, defaultBufSize)
	}

我们看一下NewReaderSize的源码:

	func NewReaderSize(rd io.Reader, size int) *Reader {
		// 已经是bufio.Reader类型,且缓存大小不小于 size,则直接返回
		b, ok := rd.(*Reader)
		if ok && len(b.buf) >= size {
			return b
		}
		// 缓存大小不会小于 minReadBufferSize (16字节)
		if size < minReadBufferSize {
			size = minReadBufferSize
		}
		// 构造一个bufio.Reader实例
		return &Reader{
			buf:          make([]byte, size),
			rd:           rd,
			lastByte:     -1,
			lastRuneSize: -1,
		}
	}

1.4.1.2 ReadSlice、ReadBytes、ReadString 和 ReadLine 方法

之所以将这几个方法放在一起,是因为他们有着类似的行为。事实上,后三个方法最终都是调用ReadSlice来实现的。所以,我们先来看看ReadSlice方法。(感觉这一段直接看源码较好)

ReadSlice方法签名如下:

	func (b *Reader) ReadSlice(delim byte) (line []byte, err error)

ReadSlice 从输入中读取,直到遇到第一个界定符(delim)为止,返回一个指向缓存中字节的 slice,在下次调用读操作(read)时,这些字节会无效。举例说明:

	reader := bufio.NewReader(strings.NewReader("http://studygolang.com. \nIt is the home of gophers"))
	line, _ := reader.ReadSlice('\n')
	fmt.Printf("the line:%s\n", line)
	// 这里可以换上任意的 bufio 的 Read/Write 操作
	n, _ := reader.ReadSlice('\n')
	fmt.Printf("the line:%s\n", line)
	fmt.Println(string(n))

输出:

	the line:http://studygolang.com. 
	
	the line:It is the home of gophers
	It is the home of gophers

从结果可以看出,第一次ReadSlice的结果(line),在第二次调用读操作后,内容发生了变化。也就是说,ReadSlice 返回的 []byte 是指向 Reader 中的 buffer ,而不是 copy 一份返回。正因为ReadSlice 返回的数据会被下次的 I/O 操作重写,因此许多的客户端会选择使用 ReadBytes 或者 ReadString 来代替。读者可以将上面代码中的 ReadSlice 改为 ReadBytes 或 ReadString ,看看结果有什么不同。

注意,这里的界定符可以是任意的字符,可以将上面代码中的'\n'改为'm'试试。同时,返回的结果是包含界定符本身的,上例中,输出结果有一空行就是'\n'本身(line携带一个'\n',printf又追加了一个'\n')。

如果 ReadSlice 在找到界定符之前遇到了 error ,它就会返回缓存中所有的数据和错误本身(经常是 io.EOF)。如果在找到界定符之前缓存已经满了,ReadSlice 会返回 bufio.ErrBufferFull 错误。当且仅当返回的结果(line)没有以界定符结束的时候,ReadSlice 返回err != nil,也就是说,如果ReadSlice 返回的结果 line 不是以界定符 delim 结尾,那么返回的 er r也一定不等于 nil(可能是bufio.ErrBufferFull或io.EOF)。 例子代码:

	reader := bufio.NewReaderSize(strings.NewReader("http://studygolang.com"),16)
	line, err := reader.ReadSlice('\n')
	fmt.Printf("line:%s\terror:%s\n", line, err)
	line, err = reader.ReadSlice('\n')
	fmt.Printf("line:%s\terror:%s\n", line, err)

输出:

	line:http://studygola	error:bufio: buffer full
	line:ng.com	error:EOF

ReadBytes方法签名如下:

	func (b *Reader) ReadBytes(delim byte) (line []byte, err error)

该方法的参数和返回值类型与 ReadSlice 都一样。 ReadBytes 从输入中读取直到遇到界定符(delim)为止,返回的 slice 包含了从当前到界定符的内容 (包括界定符)。如果 ReadBytes 在遇到界定符之前就捕获到一个错误,它会返回遇到错误之前已经读取的数据,和这个捕获到的错误(经常是 io.EOF)。跟 ReadSlice 一样,如果 ReadBytes 返回的结果 line 不是以界定符 delim 结尾,那么返回的 err 也一定不等于 nil(可能是bufio.ErrBufferFull 或 io.EOF)。

从这个说明可以看出,ReadBytes和ReadSlice功能和用法都很像,那他们有什么不同呢?

在讲解ReadSlice时说到,它返回的 []byte 是指向 Reader 中的 buffer,而不是 copy 一份返回,也正因为如此,通常我们会使用 ReadBytes 或 ReadString。很显然,ReadBytes 返回的 []byte 不会是指向 Reader 中的 buffer,通过查看源码可以证实这一点。

还是上面的例子,我们将 ReadSlice 改为 ReadBytes:

	reader := bufio.NewReader(strings.NewReader("http://studygolang.com. \nIt is the home of gophers"))
	line, _ := reader.ReadBytes('\n')
	fmt.Printf("the line:%s\n", line)
	// 这里可以换上任意的 bufio 的 Read/Write 操作
	n, _ := reader.ReadBytes('\n')
	fmt.Printf("the line:%s\n", line)
	fmt.Println(string(n))

输出:

	the line:http://studygolang.com. 

	the line:http://studygolang.com. 
	
	It is the home of gophers

ReadString方法

看一下该方法的源码:

	func (b *Reader) ReadString(delim byte) (line string, err error) {
		bytes, err := b.ReadBytes(delim)
		return string(bytes), err
	}

它调用了 ReadBytes 方法,并将结果的 []byte 转为 string 类型。

ReadLine方法签名如下

	func (b *Reader) ReadLine() (line []byte, isPrefix bool, err error)

ReadLine 是一个底层的原始行读取命令。许多调用者或许会使用 ReadBytes('\n') 或者 ReadString('\n') 来代替这个方法。

ReadLine 尝试返回单独的行,不包括行尾的换行符。如果一行大于缓存,isPrefix 会被设置为 true,同时返回该行的开始部分(等于缓存大小的部分)。该行剩余的部分就会在下次调用的时候返回。当下次调用返回该行剩余部分时,isPrefix 将会是 false 。跟 ReadSlice 一样,返回的 line 只是 buffer 的引用,在下次执行IO操作时,line 会无效。可以将 ReadSlice 中的例子该为 ReadLine 试试。

注意,返回值中,要么 line 不是 nil,要么 err 非 nil,两者不会同时非 nil。

ReadLine 返回的文本不会包含行结尾("\r\n"或者"\n")。如果输入中没有行尾标识符,不会返回任何指示或者错误。

从上面的讲解中,我们知道,读取一行,通常会选择 ReadBytes 或 ReadString。不过,正常人的思维,应该用 ReadLine,只是不明白为啥 ReadLine 的实现不是通过 ReadBytes,然后清除掉行尾的\n(或\r\n),它现在的实现,用不好会出现意想不到的问题,比如丢数据。个人建议可以这么实现读取一行:

	line, err := reader.ReadBytes('\n')
	line = bytes.TrimRight(line, "\r\n")

这样既读取了一行,也去掉了行尾结束符(当然,如果你希望留下行尾结束符,只用ReadBytes即可)。

1.4.1.3 Peek 方法

从方法的名称可以猜到,该方法只是“窥探”一下 Reader 中没有读取的 n 个字节。好比栈数据结构中的取栈顶元素,但不出栈。

方法的签名如下:

	func (b *Reader) Peek(n int) ([]byte, error)

同上面介绍的 ReadSlice一样,返回的 []byte 只是 buffer 中的引用,在下次IO操作后会无效,可见该方法(以及ReadSlice这样的,返回buffer引用的方法)对多 goroutine 是不安全的,也就是在多并发环境下,不能依赖其结果。

我们通过例子来证明一下:

	package main

	import (
	    "bufio"
	    "fmt"
	    "strings"
	    "time"
	)
	
	func main() {
	    reader := bufio.NewReaderSize(strings.NewReader("http://studygolang.com.\t It is the home of gophers"), 14)
	    go Peek(reader)
	    go reader.ReadBytes('\t')
	    time.Sleep(1e8)
	}
	
	func Peek(reader *bufio.Reader) {
	    line, _ := reader.Peek(14)
	    fmt.Printf("%s\n", line)
	    // time.Sleep(1)
	    fmt.Printf("%s\n", line)
	}

输出:

	http://studygo
	http://studygo

输出结果和预期的一致。然而,这是由于目前的 goroutine 调度方式导致的结果。如果我们将例子中注释掉的 time.Sleep(1) 取消注释(这样调度其他 goroutine 执行),再次运行,得到的结果为:

	http://studygo
	ng.com.	 It is

另外,Reader 的 Peek 方法如果返回的 []byte 长度小于 n,这时返回的 err != nil ,用于解释为啥会小于 n。如果 n 大于 reader 的 buffer 长度,err 会是 ErrBufferFull。

1.4.1.4 其他方法

Reader 的其他方法都是实现了 io 包中的接口,它们的使用方法在io包中都有介绍,在此不赘述。

这些方法包括:

	func (b *Reader) Read(p []byte) (n int, err error)
	func (b *Reader) ReadByte() (c byte, err error)
	func (b *Reader) ReadRune() (r rune, size int, err error)
	func (b *Reader) UnreadByte() error
	func (b *Reader) UnreadRune() error
	func (b *Reader) WriteTo(w io.Writer) (n int64, err error)

你应该知道它们都是哪个接口的方法吧。

1.4.2 Scanner 类型和方法

对于简单的读取一行,在 Reader 类型中,感觉没有让人特别满意的方法。于是,Go1.1增加了一个类型:Scanner。官方关于Go1.1增加该类型的说明如下:

在 bufio 包中有多种方式获取文本输入,ReadBytes、ReadString 和独特的 ReadLine,对于简单的目的这些都有些过于复杂了。在 Go 1.1 中,添加了一个新类型,Scanner,以便更容易的处理如按行读取输入序列或空格分隔单词等,这类简单的任务。它终结了如输入一个很长的有问题的行这样的输入错误,并且提供了简单的默认行为:基于行的输入,每行都剔除分隔标识。这里的代码展示一次输入一行:

	scanner := bufio.NewScanner(os.Stdin)
	for scanner.Scan() {
	    fmt.Println(scanner.Text()) // Println will add back the final '\n'
	}
	if err := scanner.Err(); err != nil {
	    fmt.Fprintln(os.Stderr, "reading standard input:", err)
	}

输入的行为可以通过一个函数控制,来控制输入的每个部分(参阅 SplitFunc 的文档),但是对于复杂的问题或持续传递错误的,可能还是需要原有接口。

Scanner 类型和 Reader 类型一样,没有任何导出的字段,同时它也包装了一个 io.Reader 对象,但它没有实现 io.Reader 接口。

Scanner 的结构定义如下:

type Scanner struct {
	r            io.Reader // The reader provided by the client.
	split        SplitFunc // The function to split the tokens.
	maxTokenSize int       // Maximum size of a token; modified by tests.
	token        []byte    // Last token returned by split.
	buf          []byte    // Buffer used as argument to split.
	start        int       // First non-processed byte in buf.
	end          int       // End of data in buf.
	err          error     // Sticky error.
}

这里 split、maxTokenSize 和 token 需要讲解一下。

然而,在讲解之前,需要先讲解 split 字段的类型 SplitFunc。

1.4.2.1 SplitFunc 类型和实例

SplitFunc 类型定义如下:

	type SplitFunc func(data []byte, atEOF bool) (advance int, token []byte, err error)

SplitFunc 定义了 用于对输入进行分词的 split 函数的签名。参数 data 是还未处理的数据,atEOF 标识 Reader 是否还有更多数据(是否到了EOF)。返回值 advance 表示从输入中读取的字节数,token 表示下一个结果数据,err 则代表可能的错误。

举例说明一下这里的 token 代表的意思:

有数据 "studygolang\tpolaris\tgolangchina",通过"\t"进行分词,那么会得到三个token,它们的内容分别是:studygolang、polaris 和 golangchina。而 SplitFunc 的功能是:进行分词,并返回未处理的数据中第一个 token。对于这个数据,就是返回 studygolang。

如果 data 中没有一个完整的 token,例如,在扫描行(scanning lines)时没有换行符,SplitFunc 会返回(0,nil,nil)通知 Scanner 读取更多数据到 slice 中,然后在这个更大的 slice 中同样的读取点处,从输入中重试读取。如下面要讲解的 split 函数的源码中有这样的代码:

	// Request more data.
	return 0, nil, nil

如果 err != nil,扫描停止,同时该错误会返回。

如果参数 data 为空的 slice,除非 atEOF 为 true,否则该函数永远不会被调用。如果 atEOF 为 true,这时 data 可以非空,这时的数据是没有处理的。

bufio 包定义的 split 函数,即 SplitFunc 的实例

在 bufio 包中预定义了一些 split 函数,也就是说,在 Scanner 结构中的 split 字段,可以通过这些预定义的 split 赋值,同时 Scanner 类型的 Split 方法也可以接收这些预定义函数作为参数。所以,我们可以说,这些预定义 split 函数都是 SplitFunc 类型的实例。这些函数包括:ScanBytes、ScanRunes、ScanWords 和 ScanLines。(由于都是 SplitFunc 的实例,自然这些函数的签名都和 SplitFunc 一样)

ScanBytes 返回单个字节作为一个 token。

ScanRunes 返回单个 UTF-8 编码的 rune 作为一个 token。返回的 rune 序列(token)和 range string类型 返回的序列是等价的,也就是说,对于无效的 UTF-8 编码会解释为 U+FFFD = "\xef\xbf\xbd"。

ScanWords 返回通过“空格”分词的单词。如:study golang,调用会返回study。注意,这里的“空格”是 unicode.IsSpace(),即包括:'\t', '\n', '\v', '\f', '\r', ' ', U+0085 (NEL), U+00A0 (NBSP)。

ScanLines 返回一行文本,不包括行尾的换行符。这里的换行包括了Windows下的"\r\n"和Unix下的"\n"。

一般地,我们不会单独使用这些函数,而是提供给 Scanner 实例使用。现在我们回到 Scanner 的 split、maxTokenSize 和 token 字段上来。

split 字段(SplitFunc 类型实例),很显然,代表了当前 Scanner 使用的分词策略,可以使用上面介绍的预定义 SplitFunc 实例赋值,也可以自定义 SplitFunc 实例。(当然,要给 split 字段赋值,必须调用 Scanner 的 Split 方法)

maxTokenSize 字段 表示通过 split 分词后的一个 token 允许的最大长度。在该包中定义了一个常量 MaxScanTokenSize = 64 * 1024,这是允许的最大 token 长度(64k)。

token 字段 上文已经解释了这个是什么意思。

1.4.2.2 Scanner 的实例化

Scanner 没有导出任何字段,而它需要有外部的 io.Reader 对象,因此,我们不能直接实例化 Scanner 对象,必须通过 bufio 包提供的实例化函数来实例化。实例化函数签名以及内部实现:

	func NewScanner(r io.Reader) *Scanner {
		return &Scanner{
			r:            r,
			split:        ScanLines,
			maxTokenSize: MaxScanTokenSize,
			buf:          make([]byte, 4096), // Plausible starting size; needn't be large.
		}
	}

可见,返回的 Scanner 实例默认的 split 函数是 ScanLines。

1.4.2.2 Scanner 的方法

Split 方法 前面我们提到过可以通过 Split 方法为 Scanner 实例设置分词行为。由于 Scanner 实例的默认 split 总是 ScanLines,如果我们想要用其他的 split,可以通过 Split 方法做到。

比如,我们想要统计一段英文有多少个单词(不排除重复),我们可以这么做:

	const input = "This is The Golang Standard Library.\nWelcome you!"
	scanner := bufio.NewScanner(strings.NewReader(input))
	scanner.Split(bufio.ScanWords)
	count := 0
	for scanner.Scan() {
		count++
	}
	if err := scanner.Err(); err != nil {
		fmt.Fprintln(os.Stderr, "reading input:", err)
	}
	fmt.Println(count)

输出:

	8

我们实例化 Scanner 后,通过调用 scanner.Split(bufio.ScanWords) 来更改 split 函数。注意,我们应该在调用 Scan 方法之前调用 Split 方法。

Scan 方法 该方法好比 iterator 中的 Next 方法,它用于将 Scanner 获取下一个 token,以便 Bytes 和 Text 方法可用。当扫描停止时,它返回false,这时候,要么是到了输入的末尾要么是遇到了一个错误。注意,当 Scan 返回 false 时,通过 Err 方法可以获取第一个遇到的错误(但如果错误是 io.EOF,Err 方法会返回 nil)。

Bytes 和 Text 方法 这两个方法的行为一致,都是返回最近的 token,无非 Bytes 返回的是 []byte,Text 返回的是 string。该方法应该在 Scan 调用后调用,而且,下次调用 Scan 会覆盖这次的 token。比如:

	scanner := bufio.NewScanner(strings.NewReader("http://studygolang.com. \nIt is the home of gophers"))
	if scanner.Scan() {
		scanner.Scan()
		fmt.Printf("%s", scanner.Text())
	}

返回的是:It is the home of gophers 而不是 http://studygolang.com.

Err 方法 前面已经提到,通过 Err 方法可以获取第一个遇到的错误(但如果错误是 io.EOF,Err 方法会返回 nil)。

下面,我们通过一个完整的示例来演示 Scanner 类型的使用。

1.4.2.3 Scanner 使用示例

我们经常会有这样的需求:读取文件中的数据,一次读取一行。在学习了 Reader 类型,我们可以使用它的 ReadBytes 或 ReadString来实现,甚至使用 ReadLine 来实现。然而,在 Go1.1 中,我们可以使用 Scanner 来做这件事,而且更简单好用。

	file, err := os.Create("scanner.txt")
	if err != nil {
	    panic(err)
	}
	defer file.Close()
	file.WriteString("http://studygolang.com.\nIt is the home of gophers.\nIf you are studying golang, welcome you!")
	// 将文件 offset 设置到文件开头
	file.Seek(0, os.SEEK_SET)
	scanner := bufio.NewScanner(file)
	for scanner.Scan() {
		fmt.Println(scanner.Text())
	}

输出结果:

	http://studygolang.com.
	It is the home of gophers.
	If you are studying golang, welcome you!

1.4.3 Writer 类型和方法

bufio.Writer 结构包装了一个 io.Writer 对象,提供缓存功能,同时实现了 io.Writer 接口。

Writer 结构没有任何导出的字段,结构定义如下:

	type Writer struct {
		err error		// 写过程中遇到的错误
		buf []byte		// 缓存
		n   int			// 当前缓存中的字节数
		wr  io.Writer	// 底层的 io.Writer 对象
	}

相比 bufio.Reader, bufio.Writer 结构定义简单很多。

注意:如果在写数据到 Writer 的时候出现了一个错误,不会再允许有数据被写进来了,并且所有随后的写操作都会返回该错误。

1.4.3.1 实例化

和 Reader 类型一样,bufio 包提供了两个实例化 bufio.Writer 对象的函数:NewWriter 和 NewWriterSize。其中,NewWriter 函数是调用 NewWriterSize 函数实现的:

	func NewWriter(wr io.Writer) *Writer {
		// 默认缓存大小:defaultBufSize=4096
		return NewWriterSize(wr, defaultBufSize)
	}

我们看一下 NewWriterSize 的源码:

	func NewWriterSize(wr io.Writer, size int) *Writer {
		// 已经是 bufio.Writer 类型,且缓存大小不小于 size,则直接返回
		b, ok := wr.(*Writer)
		if ok && len(b.buf) >= size {
			return b
		}
		if size <= 0 {
			size = defaultBufSize
		}
		return &Writer{
			buf: make([]byte, size),
			wr:  w,
		}
	}

1.4.3.2 Available 和 Buffered 方法

Available 方法获取缓存中还未使用的字节数(缓存大小 - 字段 n 的值);Buffered 方法获取写入当前缓存中的字节数(字段 n 的值)

1.4.3.3 Flush 方法

该方法将缓存中的所有数据写入底层的 io.Writer 对象中。使用 bufio.Writer 时,在所有的 Write 操作完成之后,应该调用 Flush 方法使得缓存都写入 io.Writer 对象中。

1.4.3.4 其他方法

Writer 类型其他方法是一些实际的写方法:

	// 实现了 io.ReaderFrom 接口
	func (b *Writer) ReadFrom(r io.Reader) (n int64, err error)
	
	// 实现了 io.Writer 接口
	func (b *Writer) Write(p []byte) (nn int, err error)
	
	// 实现了 io.ByteWriter 接口
	func (b *Writer) WriteByte(c byte) error
	
	// io 中没有该方法的接口,它用于写入单个 Unicode 码点,返回写入的字节数(码点占用的字节),内部实现会根据当前 rune 的范围调用 WriteByte 或 WriteString
	func (b *Writer) WriteRune(r rune) (size int, err error)
	
	// 写入字符串,如果返回写入的字节数比 len(s) 小,返回的error会解释原因
	func (b *Writer) WriteString(s string) (int, error)

这些写方法在缓存满了时会调用 Flush 方法。另外,这些写方法源码开始处,有这样的代码:

	if b.err != nil {
		return b.err
	}

也就是说,只要写的过程中遇到了错误,再次调用写操作会直接返回该错误。

1.4.4 ReadWriter 类型和实例化

ReadWriter 结构存储了 bufio.Reader 和 bufio.Writer 类型的指针(内嵌),它实现了 io.ReadWriter 结构。

	type ReadWriter struct {
		*Reader
		*Writer
	}

ReadWriter 的实例化可以跟普通结构类型一样,也可以通过调用 bufio.NewReadWriter 函数来实现:只是简单的实例化 ReadWriter

	func NewReadWriter(r *Reader, w *Writer) *ReadWriter {
		return &ReadWriter{r, w}
	}

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