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js实现文件流式下载文件方法详解及完整代码

2022-12-10 09:00

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JS实现流式打包下载说明

浏览器中的流式操作可以节省内存，扩大 JS 的应用边界，比如我们可以在浏览器里进行视频剪辑，而不用担心视频文件将内存撑爆。

浏览器虽然有流式处理数据的 API，并没有直接提供给 JS 进行流式下载的能力，也就是说即使我们可以流式的处理数据，但想将其下载到磁盘上时，依然会对内存提出挑战。

这也是我们讨论的前提：

流式的操作，必须整个链路都是流式的才有意义，一旦某个环节是非流式（阻塞）的，就无法起到节省内存的作用。

本篇文章分析了如何在 JS中流式的处理数据，流式的进行下载，主要参考了 StreamSaver.js 的实现方案。

分为如下部分：

流在计算机中的作用
服务器流式响应
JS 下载文件的方式
JS 持有数据并下载文件的场景
非流式处理、下载的问题
浏览器流式 API
JS 流式的实现方案
实现JS读取本地文件并打包下载

流在计算机中的作用

流这个概念在前端领域中提及的并不多，但是在计算机领域中，流式一个非常常见且重要的概念。

当流这个字出现在 IO 的上下文中，常指的得就是分段的读取和处理文件，这样在处理文件时（转换、传输），就不必把整个文件加载到内存中，大大的节省了内存空间的占用。

在实际点说就是，当你用着 4G 内存的 iPhone 13看电影时，并不需要担心视频文件数据把你的手机搞爆掉。

服务器流式响应

在谈下载之前，先提一下流式响应。

如上可知，当我们从服务器下载一个文件时，服务器也不可能把整个文件读取到内存中再进行响应，而是会边读边响应。

那如何进行流式响应呢？

只需要设置一个响应头 Transfer-Encoding: chunked，表明我们的响应体是分块传输的就可以了。

以下是一个 nodejs 的极简示例，这个服务每隔一秒就会向浏览器进行一次响应，永不停歇。

require('http').createServer((request, response) => {
    response.writeHead(200, {
        'Content-Type': 'text/html',
        'Transfer-Encoding': 'chunked'
    })

    setInterval(() => {
        response.write('chunked\r\n')
    }, 1000)
}).listen(8000);

`JS` 下载文件的方式

在 js 中下载文件的方式，有如下两类：

// 第一类：页面跳转、打开
location.href
window.open
iframe.class="lazy" data-src
a[download].click()

// 第二类：Ajax
fetch('/api/download')
    .then(res => res.blob())
    .then(blob => {
    // FileReader.readAsDataURL()
    const url = URL.createObjectURL(blob)
    // 借助第一类方式：location.href、iframe.class="lazy" data-src、a[download].click()
    window.open(url)
  })

不难看出，使用 Ajax 下载文件，最终还是要借助第一类方法才可以实现下载。

而第一类的操作都会导致一个行为：页面级导航跳转

所以我们可以总结得出浏览器的下载行为：

在页面级的跳转请求中，检查响应头是否包含 Content-Disposition: attachment。对于 a[download] 和 createObjectURL的 url 跳转，可以理解为浏览器帮忙加上了这个响应头。
Ajax 发出的请求并不是页面级跳转请求，所以即使拥有下载响应头也不会触发下载行为。

两类下载方式的区别

这两种下载文件的方式有何区别呢？

第一类请求的响应数据直接由下载线程接管，可以进行流式下载，一边接收数据一边往本地写文件。

第二类由 JS 线程接管响应数据，使用 API 将文件数据创建成 url 触发下载。

但是相应的 API createObjectURL、readAsDataURL必须传入整个文件数据才能进行下载，是不支持流的。也就是说一旦文件数据到了 JS 手中，想要下载，就必须把数据堆在内存中，直到拿到完整数据才能开始下载。

所以当我们从服务器下载文件时，应该尽量避免使用 Ajax ，直接使用 页面跳转类的 API 让下载线程进行流式下载。

但是有些场景下，我们需要在 JS 中处理数据，此时数据在 JS 线程中，就不得不面对内存的问题。

`JS` 持有数据并下载文件的场景

以下场景，我们需要在 JS 中处理数据并进行文件下载。

纯前端处理文件流：在线格式转换、解压缩等
整个数据都在前端转换处理，压根没有服务端的事
文章所要讨论的情况
接口鉴权：鉴权方案导致请求必须由 JS 发起，如 cookie + csrfToken、JWT
使用 ajax ：简单但是数据都在内存中
（推荐）使用 iframe + form 实现：麻烦但是可以由下载线程流式下载
服务端返回文件数据，前端转换处理后下载
如服务端返回多个文件，前端打包下载
（推荐）去找后端 ~~聊一聊~~

可以看到第一种情况是必须用 JS 处理的，我们来看一下如果不使用流式处理的话，会有什么问题。

非流式处理、下载的问题

去网上搜索「前端打包」，99% 的内容都会告诉你使用 JSZip ，谈起文件下载也都会提起一个 file-saver的库（JSZip 官网也推荐使用这个库下载文件）。

那我们就看一下这些流行库的的问题。

<script setup lang="ts">
import { onMounted, ref } from "@vue/runtime-core";
import JSZip from 'jszip'
import { saveAs } from 'file-saver'

const inputRef = ref<HTMLInputElement | null>(null);
onMounted(() => {
  inputRef.value?.addEventListener("change", async (e: any) => {
    const file = e.target!.files[0]!
    const zip = new JSZip();
    zip.file(file.name, file);
    const blob = await zip.generateAsync({type:"blob"})
    saveAs(blob, "example.zip");
  });
});
</script>

<template>
  <button @click="inputRef?.click()">JSZip 文件打包下载</button>
  <input ref="inputRef" type="file" hidden />
</template>

以上是一个用 JSZip 的官方实例构建的 Vue 应用，功能很简单，从本地上传一个文件，通过 JSZip打包，然后使用 file-saver 将其下载到本地。

我们来直接试一下，上传一个 1G+ 的文件会怎么样？

通过 Chrome 的任务管理器可以看到，当前的页面内存直接跳到了 1G+。

当然不排除有人的电脑内存比我们硬盘的都大的情况，豪不在乎内存消耗。

OK，即使你的电脑足以支撑在内存中进行随意的数据转换，但浏览器对 Blob 对象是有大小限制的。

官网的第一句话就是

If you need to save really large files bigger than the blob's size limitation or don't have enough RAM, then have a look at the more advanced StreamSaver.js
如果您需要保存比blob的大小限制更大的文件，或者没有足够的内存，那么可以查看更高级的 StreamSaver.js

然后给出了不同浏览器所支持的 Max Blob Size，可以看到 Chrome 是 2G。

所以不管是出于内存考虑，还是 Max Blob Size的限制，我们都有必要去探究一下流式的处理方案。

顺便说一下这个库并没有什么黑科技，它的下载方式和我们上面写的是一样的，只不过处理了一些兼容性问题。

浏览器流式 API

Streams API 是浏览器提供给 JS 的流式操作数据的接口。

其中包含有两个主要的接口：可读流、可写流

WritableStream

创建一个可写流对象，这个对象带有内置的背压和排队。

// 创建
const writableStream = new WritableStream({
  write(chunk) {
    console.log(chunk)
  }
})
// 使用
const writer = writableStream.getWriter()
writer.write(1).then(() => {
  // 应当在 then 再写入下一个数据
    writer.write(2)
})

创建时传入 write 函数，在其中处理具体的写入逻辑（写入可读流）。
使用时调用 getWriter() 获取流的写入器，之后调用write 方法进行数据写入。
此时的 write 方法是被包装后的，其会返回 Promise 用来控制背压，当允许写入数据时才会 resolve。
背压控制策略参考 CountQueuingStrategy，这里不细说。

ReadableStream

创建一个可读的二进制操作，controller.enqueue向流中放入数据，controller.close表明数据发送完毕。

下面的流每隔一秒就会产生一次数据：

const readableStream = new ReadableStream({
  start(controller) {
        setInterval(() => {
            // 向流中放入数据
            controller.enqueue(value);
        // controller.close(); 表明数据已发完
        }, 1000)
  }
});

从可读流中读取数据：

const reader = readableStream.getReader()
while (true) {
  const {value, done} = await reader.read()
  console.log(value)
  if (done) break
}

调用 getReader() 可以获取流的读取器，之后调用 read() 便会开始读取数据，返回 Promise

如果流中没有数据，便会阻塞（Promise penging）。
当调用了controller.enqueue或controller.close后，Promise就会resolve。
done：数据发送完毕，表示调用了 controller.close。
value：数据本身，表示调用了controller.enqueue。

while (true) 的写法在其他语言中是非常常见的，如果数据没有读完，我们就重复调用 read() ，直到 done 为true。

fetch 请求的响应体和 Blob 都已经实现了 ReadableStream。

Fetch ReadableStream

Fetch API 通过 Response 的属性 body 提供了一个具体的 ReadableStream 对象。

流式的读取服务端响应数据：

const response = await fetch('/api/download')
// response.body === ReadableStream
const reader = response.body.getReader()

while(true) {
  const {done, value} = await reader.read()
  console.log(value)
  if (done) break
}

Blob ReadableStream

Blob 对象的 stream 方法，会返回一个 ReadableStream。

当我们从本地上传文件时，文件对象 File 就是继承自Blob

流式的读取本地文件：

<input type="file" id="file">

document.getElementById("file")
  .addEventListener("change", async (e) => {
    const file: File = e.target.files[0];

    const reader = file.stream().getReader();
    while (true) {
      const { done, value } = await reader.read();
      console.log(value);
      if (done) break;
    }
    });

TransformStream

有了可读、可写流，我们就可以组合实现一个转换流，一端转换写入数据、一端读取数据。

我们利用 MessageChannel在两方进行通信

const { port1, port2 } = new MessageChannel()

const writableStream = new WritableStream({
    write(chunk) {
        port1.postMessage(chunk)
    }
})

const readableStream = new ReadableStream({
    start(controller) {
        port2.onmessage = ({ data }) => {
            controller.enqueue(data)
        }
    }
});

const writer = writableStream.getWriter()
const reader = readableStream.getReader()

writer.write(123) // 写入数据

reader.read() // 读出数据 123

在很多场景下我们都会这么去使用读写流，所以浏览器帮我们实现了一个标准的转换流：TransformStream

使用如下：

const {readable, writable} = new TransformStream()

writable.getWriter().write(123) // 写入数据

readable.getReader().read() // 读出数据 123

以上就是我们需要知道的流式 API 的知识，接下来进入正题。

前端流式下载

ok，终于到了流式下载的部分。

这里我并不会推翻自己前面所说：

只有页面级跳转会触发下载。
这意味着响应数据直接被下载线程接管。
createObjectURL、readAsDataURL 只能接收整个文件数据。
这意味当数据在前端时，只能整体下载。

所以应该怎么做呢？

Service worker

是的，黑科技主角Service worker，熟悉 PWA 的人对它一定不陌生，它可以拦截浏览器的请求并提供离线缓存。

Service Worker APIService workers 本质上充当 Web 应用程序、浏览器与网络（可用时）之间的代理服务器。这个 API 旨在创建有效的离线体验，它会拦截网络请求并根据网络是否可用来采取适当的动作、更新来自服务器的的资源。
—— MDN

这里有两个关键点：

拦截请求
构建响应

也就是说，通过 Service worker 前端完全可以自己充当服务器给下载线程传输数据。

让我们看看这是如何工作的。

拦截请求

请求的拦截非常简单，在Service worker中注册 onfetch 事件，所有的请求发送都会触发其回调。

通过 event.request 对象拿到 Request 对象，进而检查 url 决定是否要拦截。

如果确定要拦截，就调用 event.respondWith 并传入 Response 对象，既可完成拦截。

self.onfetch = event => {
    const url = event.request.url
    if (url === '拦截') {
      event.respondWith(new Response())
  }
}

new Response

Response就是 fetch()返回的 response 的构造函数。

直接看函数签名：

interface Response: {
    new(body?: BodyInit | null, init?: ResponseInit): Response
}

type BodyInit = ReadableStream | Blob | BufferSource | FormData | URLSearchParams | string

interface ResponseInit {
    headers?: HeadersInit
    status?: number
    statusText?: string
}

可以看到，Response 接收两个参数

第一个是响应体 Body，其类型可以是 Blob、string等等，其中可以看到熟悉的 ReadableStream可读流
第二个是响应头、状态码等

这意味着：

在响应头中写入Content-Disposition：attachment，浏览器就会让下载线程接管响应。
将Body 构建成 ReadableStream，就可以流式的向下载线程传输数据。

也意味着前端自己就可以进行流式下载！

极简实现

我们构建一个最简的例子来将所有知识点串起来：从本地上传文件，流式的读取，流式的下载到本地。

是的这看似毫无意义，但这可以跑通流程，对学习来说足够了。

关键点代码分析

通知 service worker 准备下载文件，等待 worker 返回 url 和writable

const createDownloadStrean = async(filename) = >{ // 通过 channel 接受数据 
    const {
        port1,
        port2
    } = new MessageChannel();

    // 传递 channel，这样 worker 就可以往回发送消息了
    serviceworker.postMessage({
        filename
    },
    [port2]);

    return new Promise((resolve) = >{
        port1.onmessage = ({
            data
        }) = >{
            // 拿到url, 发起请求
            iframe.class="lazy" data-src = data.url;
            document.body.appendChild(iframe);
            // 返回可写流
            resolve(data.writable)
        };
    });
}

Service worker 接受到消息，创建 url、ReadableStream 、WritableStream，将 url、WritableStream通过 channel 发送回去。

js self.onmessage = (event) = >{
    const filename = event.data.filename // 拿到 channel 
    const port2 = event.ports[0] // 随机一个 url 
    const downloadUrl = self.registration.scope + Math.random() + '/' + filename // 创建转换流 
    const {
        readable,
        writable
    } = new TransformStream() // 记录 url 和可读流，用于后续拦截和响应构建 
    map.set(downloadUrl, readable) // 传回 url 和可写流 
    port2.postMessage({
        download: downloadUrl,
        writable
    },
    [writable])
}

主线程拿到 url 发起请求（第 1 步 onmessage中），Service worker 拦截请求，使用上一步的 ReadableStream创建Response并响应。

self.onfetch = event => { const url = event.request.url // 从 map 中取出流，存在表示这个请求是需要拦截的 
const readableStream = map.get(url) 
if (!readableStream) return null map.delete(url)

const headers = new Headers({
    'Content-Type': 'application/octet-stream; charset=utf-8',
   'Content-Disposition': 'attachment',
    'Transfer-Encoding': 'chunked'
})
// 构建返回响应
event.respondWith(
    new Response(readableStream, { headers })
 )
}

下载线程拿到响应，开启流式下载（但是此时根本没有数据写入，所以在此就阻塞了）
主线程拿到上传的 File对象，获取其ReadableStream并读取，将读取到的数据通过 WritableStream（第 1 步中返回的）发送出去。

input.addEventListener("change", async(e: any) = >{
    const file = e.target ! .files[0];
    const reader = file.stream().getReader();
    const writableStream = createDownloadStrean() const writable = writableStream.getWriter() const pump = async() = >{
        const {
            done,
            value
        } = await reader.read();
        if (done) return writable.close() await writable.write(value) // 递归调用，直到读取完成 
        return pump()
    };
    pump();
})

当 WritableStream写入数据时，下载线程中的 ReadableStream 就会接收到数据，文件就会开始下载直到完成。

完整代码

// index.vue
<script setup lang="ts">
import { onMounted, ref } from "@vue/runtime-core";
import { createDownloadStream } from "../utils/common";

const inputRef = ref<HTMLInputElement | null>(null);

// 注册 service worker
async function register() {
  const registed = await navigator.serviceWorker.getRegistration("./");
  if (registed?.active) return registed.active;

  const swRegistration = await navigator.serviceWorker.register("sw.js", {
    scope: "./",
  });

  const sw = swRegistration.installing! || swRegistration.waiting!;

  let listen: any;

  return new Promise<ServiceWorker>((resolve) => {
    sw.addEventListener(
      "statechange",
      (listen = () => {
        if (sw.state === "activated") {
          sw.removeEventListener("statechange", listen);
          resolve(swRegistration.active!);
        }
      })
    );
  });
}

// 向 service worker 申请下载资源
async function createDownloadStream(filename: string) {
  const { port1, port2 } = new MessageChannel();

  const sw = await register();

  sw.postMessage({ filename }, [port2]);

  return new Promise<WritableStream>((r) => {
    port1.onmessage = (e) => {
      const iframe = document.createElement("iframe");
      iframe.hidden = true;
      iframe.class="lazy" data-src = e.data.download;
      iframe.name = "iframe";
      document.body.appendChild(iframe);
      r(e.data.writable);
    };
  });
}

onMounted(async () => {
  // 监听文件上传
  inputRef.value?.addEventListener("change", async (e: any) => {
    const files: FileList = e.target!.files;
    const file = files.item(0)!;

    const reader = file.stream().getReader();
    const writableStream = await createDownloadStream(file.name);
    const writable = writableStream.getWriter();

    const pump = async () => {
      const { done, value } = await reader.read();
      if (done) return writable.close()
      await writable.write(value)
      pump()
    };

    pump();
  });
});
</script>

<template>
  <button @click="inputRef?.click()">本地流式文件下载</button>
  <input ref="inputRef" type="file" hidden />
</template>
// service-worker.js
self.addEventListener('install', () => {
    self.skipWaiting()
})

self.addEventListener('activate', event => {
    event.waitUntil(self.clients.claim())
})

const map = new Map()

self.onmessage = event => {
    const data = event.data

    const filename = encodeURIComponent(data.filename.replace(/\//g, ':'))
        .replace(/['()]/g, escape)
        .replace(/\*/g, '%2A')

    const downloadUrl = self.registration.scope + Math.random() + '/' + filename
    const port2 = event.ports[0]

    // [stream, data]
    const { readable, writable } = new TransformStream()

    const metadata = [readable, data]

    map.set(downloadUrl, metadata)
    port2.postMessage({ download: downloadUrl, writable }, [writable])
}

self.onfetch = event => {
    const url = event.request.url

    const hijacke = map.get(url)

    if (!hijacke) return null
    map.delete(url)

    const [stream, data] = hijacke
    // Make filename RFC5987 compatible
    const fileName = encodeURIComponent(data.filename).replace(/['()]/g, escape).replace(/\*/g, '%2A')

    const headers = new Headers({
        'Content-Type': 'application/octet-stream; charset=utf-8',
        'Transfer-Encoding': 'chunked',
        'response-content-disposition': 'attachment',
        'Content-Disposition': "attachment; filename*=UTF-8''" + fileName
    })

    event.respondWith(new Response(stream, { headers }))
}

流式压缩下载

跑通了流程之后，压缩也只不过是在传输流之前进行一层转换的事情。

首先我们寻找一个可以流式处理数据的压缩库（你肯定不会想自己写一遍压缩算法），fflate 就很符合我们的需求。

然后我们只需要在写入数据前，让 fflate先处理一遍数据就可以了。

onMounted(async () => {
  const input = document.querySelector("#file")!;
  input.addEventListener("change", async (e: any) => {
    const stream = createDownloadStrean()
    const file = e.target!.files[0];
    const reader = file.stream().getReader();

    const zip = new fflate.Zip((err, dat, final) => {
      if (!err) {
        fileStream.write(dat);
        if (final) {
          fileStream.close();
        }
      } else {
        fileStream.close();
      }
    });

    const helloTxt = new fflate.ZipDeflate("hello.txt", { level: 9 });
    zip.add(helloTxt);

    while (true) {
      const { done, value } = await reader.read();
      if (done) {
        zip.end();
        break
      };
      helloTxt.push(value)
    }
  });
});

是的，就是这么简单。