【JS】941- JavaScript 中如何实现大文件并行下载？

谁践踏了优雅 2023-01-17 10:47 125阅读 0赞

在 [JavaScript 中如何实现并发控制？][JavaScript] 这篇文章中，阿宝哥详细分析了 async-pool 这个库如何利用 `Promise.all` 和 `Promise.race` 函数实现异步任务的并发控制。本文阿宝哥将介绍如何利用 async-pool 这个库提供的 `asyncPool` 函数来实现大文件的并行下载。

相信有些小伙伴已经了解大文件上传的解决方案，在上传大文件时，为了提高上传的效率，我们一般会使用 `Blob.slice` 方法对大文件按照指定的大小进行切割，然后在开启多线程进行分块上传，等所有分块都成功上传后，再通知服务端进行分块合并。

那么对大文件下载来说，我们能否采用类似的思想呢？在服务端支持 `Range` 请求首部的条件下，我们也是可以实现多线程分块下载的功能，具体如下图所示：

![c1e5ac585c82685a30f9d73bf2cbfa0b.png][]

看完上图相信你对大文件下载的方案，已经有了一定的了解。接下来，我们先来介绍 HTTP 范围请求。

### 一、HTTP 范围请求 ###

HTTP 协议范围请求允许服务器只发送 HTTP 消息的一部分到客户端。范围请求在传送大的媒体文件，或者与文件下载的断点续传功能搭配使用时非常有用。如果在响应中存在 `Accept-Ranges` 首部（并且它的值不为 “none”），那么表示该服务器支持范围请求。

在一个 Range 首部中，可以一次性请求多个部分，服务器会以 multipart 文件的形式将其返回。如果服务器返回的是范围响应，需要使用 **206 Partial Content** 状态码。假如所请求的范围不合法，那么服务器会返回 **416 Range Not Satisfiable** 状态码，表示客户端错误。服务器允许忽略 Range 首部，从而返回整个文件，状态码用 200 。

#### 1.1 Range 语法 ####

Range: <unit>=<range-start>-
    Range: <unit>=<range-start>-<range-end>
    Range: <unit>=<range-start>-<range-end>, <range-start>-<range-end>
    Range: <unit>=<range-start>-<range-end>, <range-start>-<range-end>, <range-start>-<range-end>

*  `unit`：范围请求所采用的单位，通常是字节（bytes）。
 *  `<range-start>`：一个整数，表示在特定单位下，范围的起始值。
 *  `<range-end>`：一个整数，表示在特定单位下，范围的结束值。**这个值是可选的，如果不存在，表示此范围一直延伸到文档结束。**

了解完 `Range` 语法之后，我们来看一下实际的使用示例：

##### 1.1.1 单一范围 #####

$ curl http://i.imgur.com/z4d4kWk.jpg -i -H "Range: bytes=0-1023"

##### 1.1.2 多重范围 #####

$ curl http://www.example.com -i -H "Range: bytes=0-50, 100-150"

好了，HTTP 范围请求的相关知识就先介绍到这里，下面我们步入正题开始介绍如何实现大文件下载。

### 二、如何实现大文件下载 ###

为了让大家能够更好地理解后面的内容，我们先来看一下整体的流程图：

![9cf04725cc1165e40fccea69100bde2c.png][]

了解完大文件下载的流程之后，我们先来定义上述流程中涉及的一些辅助函数。

#### 2.1 定义辅助函数 ####

##### 2.1.1 定义 getContentLength 函数 #####

顾名思义 `getContentLength` 函数，用于获取文件的长度。在该函数中，我们通过发送 `HEAD` 请求，然后从响应头中读取 `Content-Length` 的信息，进而获取当前 `url` 对应文件的内容长度。

function getContentLength(url) {
      return new Promise((resolve, reject) => {
        let xhr = new XMLHttpRequest();
        xhr.open("HEAD", url);
        xhr.send();
        xhr.onload = function () {
          resolve(
            ~~xhr.getResponseHeader("Content-Length") 
          );
        };
        xhr.onerror = reject;
      });
    }

##### 2.1.2 定义 asyncPool 函数 #####

在 [JavaScript 中如何实现并发控制？][JavaScript] 这篇文章中，我们介绍了 `asyncPool` 函数，它用于实现异步任务的并发控制。该函数接收 3 个参数：

*  `poolLimit`（数字类型）：表示限制的并发数；
 *  `array`（数组类型）：表示任务数组；
 *  `iteratorFn`（函数类型）：表示迭代函数，用于实现对每个任务项进行处理，该函数会返回一个 Promise 对象或异步函数。

async function asyncPool(poolLimit, array, iteratorFn) {
      const ret = []; // 存储所有的异步任务
      const executing = []; // 存储正在执行的异步任务
      for (const item of array) {
        // 调用iteratorFn函数创建异步任务
        const p = Promise.resolve().then(() => iteratorFn(item, array));
        ret.push(p); // 保存新的异步任务
    
        // 当poolLimit值小于或等于总任务个数时，进行并发控制
        if (poolLimit <= array.length) {
          // 当任务完成后，从正在执行的任务数组中移除已完成的任务
          const e = p.then(() => executing.splice(executing.indexOf(e), 1));
          executing.push(e); // 保存正在执行的异步任务
          if (executing.length >= poolLimit) {
            await Promise.race(executing); // 等待较快的任务执行完成
          }
        }
      }
      return Promise.all(ret);
    }

##### 2.1.3 定义 getBinaryContent 函数 #####

`getBinaryContent` 函数用于根据传入的参数发起范围请求，从而下载指定范围内的文件数据块：

function getBinaryContent(url, start, end, i) {
      return new Promise((resolve, reject) => {
        try {
          let xhr = new XMLHttpRequest();
          xhr.open("GET", url, true);
          xhr.setRequestHeader("range", `bytes=${start}-${end}`); // 请求头上设置范围请求信息
          xhr.responseType = "arraybuffer"; // 设置返回的类型为arraybuffer
          xhr.onload = function () {
            resolve({
              index: i, // 文件块的索引
              buffer: xhr.response, // 范围请求对应的数据
            });
          };
          xhr.send();
        } catch (err) {
          reject(new Error(err));
        }
      });
    }

需要注意的是 **`ArrayBuffer`** 对象用来表示通用的、固定长度的原始二进制数据缓冲区。**我们不能直接操作 `ArrayBuffer` 的内容，而是要通过类型数组对象或 DataView 对象来操作，它们会将缓冲区中的数据表示为特定的格式，并通过这些格式来读写缓冲区的内容**。

##### 2.1.4 定义 concatenate 函数 #####

由于不能直接操作 **`ArrayBuffer`** 对象，所以我们需要先把 `ArrayBuffer` 对象转换为 `Uint8Array` 对象，然后在执行合并操作。以下定义的 `concatenate` 函数就是为了合并已下载的文件数据块，具体代码如下所示：

function concatenate(arrays) {
      if (!arrays.length) return null;
      let totalLength = arrays.reduce((acc, value) => acc + value.length, 0);
      let result = new Uint8Array(totalLength);
      let length = 0;
      for (let array of arrays) {
        result.set(array, length);
        length += array.length;
      }
      return result;
    }

##### 2.1.5 定义 saveAs 函数 #####

`saveAs` 函数用于实现客户端文件保存的功能，这里只是一个简单的实现。在实际项目中，你可以考虑直接使用 FileSaver.js 。如果你对 FileSaver.js 的工作原理感兴趣的话，可以阅读 [聊一聊 15.5K 的 FileSaver，是如何工作的？][15.5K _ FileSaver] 这篇文章。

function saveAs({ name, buffers, mime = "application/octet-stream" }) {
      const blob = new Blob([buffers], { type: mime });
      const blobUrl = URL.createObjectURL(blob);
      const a = document.createElement("a");
      a.download = name || Math.random();
      a.href = blobUrl;
      a.click();
      URL.revokeObjectURL(blob);
    }

在 `saveAs` 函数中，我们使用了 Blob 和 Object URL。其中 Object URL 是一种伪协议，允许 Blob 和 File 对象用作图像，下载二进制数据链接等的 URL 源。在浏览器中，我们使用 `URL.createObjectURL` 方法来创建 Object URL，该方法接收一个 `Blob` 对象，并为其创建一个唯一的 URL，其形式为 `blob:<origin>/<uuid>`，对应的示例如下：

blob:https://example.org/40a5fb5a-d56d-4a33-b4e2-0acf6a8e5f641

浏览器内部为每个通过 `URL.createObjectURL` 生成的 URL 存储了一个 URL → Blob 映射。因此，此类 URL 较短，但可以访问 `Blob`。生成的 URL 仅在当前文档打开的状态下才有效。

好了，Object URL 的相关内容就先介绍到这里，如果你进一步了解 Blob 和 Object URL 的话，可以阅读 [你不知道的 Blob][Blob] 这篇文章。

##### 2.1.6 定义 download 函数 #####

`download` 函数用于实现下载操作，它支持 3 个参数：

*  `url`（字符串类型）：预下载资源的地址；
 *  `chunkSize`（数字类型）：分块的大小，单位为字节；
 *  `poolLimit`（数字类型）：表示限制的并发数。

async function download({ url, chunkSize, poolLimit = 1 }) {
      const contentLength = await getContentLength(url);
      const chunks = typeof chunkSize === "number" ? Math.ceil(contentLength / chunkSize) : 1;
      const results = await asyncPool(
        poolLimit,
        [...new Array(chunks).keys()],
        (i) => {
          let start = i * chunkSize;
          let end = i + 1 == chunks ? contentLength - 1 : (i + 1) * chunkSize - 1;
          return getBinaryContent(url, start, end, i);
        }
      );
      const sortedBuffers = results
        .map((item) => new Uint8Array(item.buffer));
      return concatenate(sortedBuffers);
    }

#### 2.2 大文件下载使用示例 ####

基于前面定义的辅助函数，我们就可以轻松地实现大文件并行下载，具体代码如下所示：

function multiThreadedDownload() {
      const url = document.querySelector("#fileUrl").value;
      if (!url || !/https?/.test(url)) return;
      console.log("多线程下载开始: " + +new Date());
      download({
        url,
        chunkSize: 0.1 * 1024 * 1024,
        poolLimit: 6,
      }).then((buffers) => {
        console.log("多线程下载结束: " + +new Date());
        saveAs({ buffers, name: "我的压缩包", mime: "application/zip" });
      });
    }

由于完整的示例代码内容比较多，阿宝哥就不放具体的代码了。感兴趣的小伙伴，可以访问以下地址浏览示例代码。

> 完整的示例代码：https://gist.github.com/semlinker/837211c039e6311e1e7629e5ee5f0a42

这里我们来看一下大文件下载示例的运行结果：

![07f9167e07fb12f0807ab91e181a8524.png][]

### 三、总结 ###

本文介绍了在 JavaScript 中如何利用 async-pool 这个库提供的 `asyncPool` 函数，来实现大文件的并行下载。除了介绍 `asyncPool` 函数之外，阿宝哥还介绍了如何通过 HEAD 请求获取文件大小、如何发起 HTTP 范围请求及在客户端如何保存文件等相关知识。其实利用 `asyncPool` 函数不仅可以实现大文件的并行下载，而且还可以实现大文件的并行上传，感兴趣的小伙伴可以自行尝试一下。

### 四、参考资源 ###

*  [你不知道的 Blob][Blob]
 *  MDN - ArrayBuffer
 *  MDN - HTTP请求范围
 *  [JavaScript 中如何实现并发控制？][JavaScript]

[![c9e7ccba16eef0839a96b0f2b225c9d2.png][]][JavaScript]

[JavaScript]: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI2MjcxNTQ0Nw%3D%3D&idx=1&mid=2247490704&scene=21&sn=18976b9c9fe2456172c394f1d9cae88b#wechat_redirect
[c1e5ac585c82685a30f9d73bf2cbfa0b.png]: /images/20221021/a60f2f5f28a4465d905ebad7c443aa26.png
[9cf04725cc1165e40fccea69100bde2c.png]: /images/20221021/02699a80bb144bbfb516c3868086df42.png
[15.5K _ FileSaver]: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI2MjcxNTQ0Nw%3D%3D&idx=1&mid=2247487533&scene=21&sn=3c643a1344e2e0bb57738135b1fe3396#wechat_redirect
[Blob]: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI2MjcxNTQ0Nw%3D%3D&idx=1&mid=2247484522&scene=21&sn=7028aa65a4dec0f2d0cb847838703bc3#wechat_redirect
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[c9e7ccba16eef0839a96b0f2b225c9d2.png]: /images/20221021/a17981f4e17e4d19852b3bc2d708965b.png