Go语言 io包源码解读

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前言

前两篇文章 Go语言 io包核心接口详解、Go语言 io包基本接口详解，我们已经学习了 io包中的核心接口、基本接口和组合接口，这些都是基本的接口定义和规范，那么本篇文章我们就一起来看下io包中对上述接口的使用，包括三个结构体和部分方法，我们通过研究源码来加深对接口定义的理解。

结构体

LimitedReader

LimitedReader 限制读取的数据长度，至多读取 n 个字节，具体定义如下：

// Reader R 作为底层的reader，用于读取数据；
// N 记录还剩余多少字节可以读取（初始化为n，每次读取一次数据之后，会更新剩余可读字节数）
type LimitedReader struct {
	R Reader // underlying reader
	N int64  // max bytes remaining
}

相关方法

返回 LimitedReader 实例

// 返回LimitReader 实例，r 作为底层 Reader，n 为限制读取的字节数大小
func LimitReader(r Reader, n int64) Reader { return &LimitedReader{r, n} }

Read 方法

// Read 方法读取数据到字节数组p中，返回读取的字节长度 和 产生的 error
// 每次调用该方法都会更新剩余可读字节数N
func (l *LimitedReader) Read(p []byte) (n int, err error) {

	// 如果剩余可读字节数 N<=0，返回 EOF error
	if l.N <= 0 {
		return 0, EOF
	}

	// 如果提供的字节数组空间过大，只需要使用 N 个长度即可，因为限制了至多读取读取 N 个字节
	if int64(len(p)) > l.N {
		p = p[0:l.N]
	}

	// 读取数据到字节数据 p，并将 N 减去成功读取的字节数
	n, err = l.R.Read(p)
	l.N -= int64(n)
	return
}

SectionReader

SectionReader 包装了 ReaderAt 类型，重写了 Read、Seek和 ReadAt 方法。SectionReader 的作用是限制了读取数据的范围，只能够读取原始数据中的某一个部分（或者说某一段）。定义如下：

// r：ReaderAt 实例，用于读取数据
// base：保存可读取数据范围的起始位置，变量值不会变
// off：保存当前位于的位置，每读取一次数据，变量值会发生改变
// limit：保存可读取数据范围的结束位置，变量值不会变
type SectionReader struct {
	r     ReaderAt
	base  int64
	off   int64
	limit int64
}

相关方法

初始化 SectionReader 实例

// NewSectionReader 返回初始化后的 SectionReader，需要提供一个 ReaderAt 实例，以及读取的起始位置 off 和 需要读取的数据长度 n，也就是限制了读取的数据范围为[off,off+n)
func NewSectionReader(r ReaderAt, off int64, n int64) *SectionReader {
	return &SectionReader{r, off, off, off + n}
}

Read 方法：在指定的范围内读取数据

// 读取数据到字节数组p中，返回读取的字节长度和产生的error
func (s *SectionReader) Read(p []byte) (n int, err error) {

	// 如果当前处于的位置，超出了可读取数据范围，返回 EOF error
	if s.off >= s.limit {
		return 0, EOF
	}

	// 如果字节数组p的长度大于 剩余可读取数据长度，将p的长度缩小到剩余可读取的数据的长度
	if max := s.limit - s.off; int64(len(p)) > max {
		p = p[0:max]
	}

	// 从 off 位置开始读取数据，并更新 off 的位置
	n, err = s.r.ReadAt(p, s.off)
	s.off += int64(n)
	return
}

Seek 方法：根据提供的 whence 和 offset，设置 SectionReader off 变量的值

var errWhence = errors.New("Seek: invalid whence")
var errOffset = errors.New("Seek: invalid offset")

// Seek 方法 根据 whence 和 offset， 设置 SectionReader off 变量的值，返回距可读范围起始位置的长度和产生的error
func (s *SectionReader) Seek(offset int64, whence int) (int64, error) {
	switch whence {
	default:
		return 0, errWhence
	// 从起始位置开始seek，即基于SectionReader.base
	case SeekStart:
		offset += s.base
	// 从当前位置开始seek，即基于SectionReader.off
	case SeekCurrent:
		offset += s.off
	// 从当前位置开始seek，即基于SectionReader.limit
	case SeekEnd:
		offset += s.limit
	}

	// 如果最终offset的位置在 base 之前，则是非法位置，会返回error；
  // 如果在limit之后，没有返回error，可以参考 Seeker 接口中对 Seek 方法的定义
	if offset < s.base {
		return 0, errOffset
	}

	// 修改 off 的值，返回距离 base 的长度
	s.off = offset
	return offset - s.base, nil
}

ReadAt 方法：基于起始位置base，根据 入参off 计算读取位置偏移量为 base+off，然后从该位置开始，读取可读数据范围内的数据到字节数组p中。（和 SectionReader 结构体中定义的 off 变量无关）

func (s *SectionReader) ReadAt(p []byte, off int64) (n int, err error) {
	// 如果入参 off<0 或者 off 大小超出了可读数据范围，返回 EOF error
	if off < 0 || off >= s.limit-s.base {
		return 0, EOF
	}

	// 本次读取的起始位置为 off + s.base
	off += s.base

	// 如果字节数组 p 的长度大于可读取长度 s.limit-off，那么将字节数组缩小到可读取长度大小
	if max := s.limit - off; int64(len(p)) > max {
		p = p[0:max]
		n, err = s.r.ReadAt(p, off)
		// 由于读取的数据长度，小于原始字节数组 p的长度 len(p)，参照 ReaderAt接口中对ReadAt方法的定义，需要返回error
		if err == nil {
			err = EOF
		}
		return n, err
	}
	// 如果字节数组的长度小于等于可读取长度 s.limit-off，读取数据到 p 中
	return s.r.ReadAt(p, off)
}

Size 方法：返回可读取数据的范围大小

// Size 返回可读范围的长度
func (s *SectionReader) Size() int64 { return s.limit - s.base }

teeReader

teeReader 是一个包级私有的数据类型，因为其首字母是小写。teeReader 的作用就是将 Reader r 读取的数据，交给 Writer r 去写入到文件中，相当于提供了一个桥梁，连接起来了一个 Reader 和 Writer。teeReader 会将 Reader 中读取到的所有数据，一次性交给 Writer，没有缓冲区。定义如下：

type teeReader struct {
   r Reader
   w Writer
}

相关方法

初始化方法：提供一个Reader 和 Writer 用于初始化

func TeeReader(r Reader, w Writer) Reader {
	return &teeReader{r, w}
}

Read 方法：Reader r 将数据读取到字节数组 p 中，然后 Writer 将 p 中的数据写入到文件中，p 充当了数据的中转站。

func (t *teeReader) Read(p []byte) (n int, err error) {
  // 读取数据到字节数组 p 中，返回读取的数据长度 和 error
	n, err = t.r.Read(p)
  
  // 根据 Reader 接口中对 Read 方法的定义，调用者应该首先关注 n 是否大于0，而不是应该首先关注 err
  // 如果 n>0，说明读取到了数据，则将 p 中读取到的数据部分 p[:n] 交给 Writer w 去写入
	if n > 0 {
		if n, err := t.w.Write(p[:n]); err != nil {
			return n, err
		}
	}
	return
}

方法定义

WriteString

WriteString 用于将字符串写入文件

// 入参: Writer w,用于将字符串写入文件; s: 需要写入的字符串
// 返回值: 写入成功的字节数n，可能产生的error

func WriteString(w Writer, s string) (n int, err error) {
  // 如果传入的 writer 实现了 StringWriter 接口，则直接调用 StringWriter 接口 的 WriteString 方法
  // 否则调用 Writer 的 Write 方法
	if sw, ok := w.(StringWriter); ok {
		return sw.WriteString(s)
	}
	return w.Write([]byte(s))
}

ReadAtLeast

ReadAtLeast：至少读取 min 个字节，即使用 Reader r 将至少 min 个字节读入字节数组 buf

入参

Reader r : 用于读数据
buf []byte : 保存读入的数据
min int: 至少读入 min 个字节

返回值

n: 成功读入的字节数
err: 产生的error

func ReadAtLeast(r Reader, buf []byte, min int) (n int, err error) {

	// 如果方法提供的字节数组 buf 长度小于 min，则不可能满足方法的定义，直接返回 ErrShortBuffer error
	if len(buf) < min {
		return 0, ErrShortBuffer
	}

	// n 记录当前读取的字节数，循环直至读取到的数据字节 n >= min
	for n < min && err == nil {
		var nn int
		nn, err = r.Read(buf[n:])
		n += nn
	}

	// 如果读取到的数据 n>=min，不管是否产生error，都返回nil，因为已经满足了至少读取min个字节
	if n >= min {
		err = nil
	} else if n > 0 && err == EOF {
		//如果读取到的数据少于 min 字节，但是读到了文件末尾产生了EOF，方法返回 ErrUnexpectedEOF error
		err = ErrUnexpectedEOF
	}

	// 其他case: 0 <= n < min ，直接返回当前 err

	return
}

几种 error

如果方法提供的字节数组 buf 长度小于 min，则不可能满足方法的定义，直接返回 ErrShortBuffer error。
如果读取到的数据大于0，少于 min 字节，但是读到了文件末尾产生了EOF，方法返回 ErrUnexpectedEOF error
如果读取到的数据大于等于 min 字节，但是产生了 error，因为已经满足的方法读取至少 min 个字节的需要，会丢弃这个 error，返回 nil
其他case：读取字节数为0，或者读取到的数据少于 min 字节，但是产生了其他非EOF error，方法返回相应的 error

ReadFull

ReadFull: 使用 Reader r 读取数据，将字节数组 buf 填充满

入参

Reader r
字节数组buf

返回值

n：成功读取并写入字节数组buf的字节数
err：产生的error

func ReadFull(r Reader, buf []byte) (n int, err error) {
  // 该方法直接调用 ReadAtLeast(r, buf, len(buf))，相当于把 buf 字节数组读满。
	return ReadAtLeast(r, buf, len(buf))
}

参照 ReadAtLeast 的定义，可以有以下结论：

如果返回的 err = EOF，那么一定没有读取任何数据，因为如果读取的数据 n>0，遇到 EOF 后，会返回 ErrUnexpectedEOF
如果返回的 n=len(buf)，那么 err一定为 nil

copyBuffer

copyBuffer 是一个私有方法，利用缓冲区 buffer，来完成 Reader 到 Writer 的数据复制。方法利用一个字节数组作为缓冲区， Reader 每次读取数据到字节数组中，然后 Writer 将字节数组中的数据写入文件，直至 Reader 读取数据结束，或者遇到 error。最终返回复制的字节数，以及复制过程中产生的 error。如果调用该方法时，传递的缓冲数组 buf =nil，会分配一个临时的字节数组。

func copyBuffer(dst Writer, src Reader, buf []byte) (written int64, err error) {

	// 如果 Reader src 实现了 WriteTo 接口，那么就可以调用 WriteTo 方法完成复制
	if wt, ok := src.(WriterTo); ok {
		return wt.WriteTo(dst)
	}

	// 如果 Writer 实现了 ReaderFrom 接口，那么就可以调用 ReadFrom 方法完成复制
	if rt, ok := dst.(ReaderFrom); ok {
		return rt.ReadFrom(src)
	}

	// 如果方法传递的缓冲区为nil，会分配一个缓冲区
	if buf == nil {

		// 默认为32 kb
		size := 32 * 1024

		// 如果是 src 是 LimitedReader，那么缓冲区大小要适应 LimitedReader
		if l, ok := src.(*LimitedReader); ok && int64(size) > l.N {
			// 至少为1
			if l.N < 1 {
				size = 1
			} else {
				// 最大不能超过 LimitedReader 的大小限制
				size = int(l.N)
			}
		}
		buf = make([]byte, size)
	}

	// 不断循环，从 Reader src 中读取数据到 buf 中，Writer dst 将读取到的数据写入
	for {
		nr, er := src.Read(buf)
		// 根据Reader 接口中 Read 方法的定义，先处理数据，再处理 error
		// nr>0，说明读取到了数据，那么 dst 就写入读取到的数据 buf[0:nr]
		if nr > 0 {
			nw, ew := dst.Write(buf[0:nr])

			// written 保存总计复制的字节大小
			if nw > 0 {
				written += int64(nw)
			}

			// 写入过程中遇到了err，结束复制
			if ew != nil {
				err = ew
				break
			}

			// 写入的字节数，与读取到的字节数不一致，结束复制，返回 ErrShortWrite
			if nr != nw {
				err = ErrShortWrite
				break
			}
		}

		// 如果读取过程中遇到了 er != nil，如果 er != EOF，最终就返回该 error ；
		// 如果 er = EOF，且逻辑走到这里，说明上面的写入没产生error，那么整个文件就复制完毕了，err 字段就没有赋值，最终返回的 err = nil
		if er != nil {
			if er != EOF {
				err = er
			}
			break
		}
	}
	// 返回总计复制的字节数，以及产生的error
	return written, err
}

Copy

Copy 的作用，就是将 Reader src 的数据，复制到 Writer dst 中，然后返回复制的字节数以及遇到的 error。Copy 直接调用的 copyBuffer 方法，但是没有提供缓冲数组，copyBuffer 方法内部会使用临时数组。

根据上面 copyBuffer 的定义，如果成功完成复制，返回值中 err=nil，而不是 err=EOF，因为如果遇到 EOF，说明已经复制完成了，err应该为nil。具体逻辑可以看上面 copyBuffer 源码的分析

func Copy(dst Writer, src Reader) (written int64, err error) {
	return copyBuffer(dst, src, nil)
}

CopyBuffer

CopyBuffer 与 Copy 方法不同的是，CopyBuffer 可以传入一个字节数组，用作全局缓冲区；Copy 方法不提供缓冲区，而是使用copyBuffer的临时缓冲区

func CopyBuffer(dst Writer, src Reader, buf []byte) (written int64, err error) {
	// 如果传入的字节缓冲区不为nil，但是长度为0，直接panic
	if buf != nil && len(buf) == 0 {
		panic("empty buffer in io.CopyBuffer")
	}
	// 如果传入的字节数组 buf=nil，那么就使用 copyBuffer 生成一个临时缓冲区
	// 如果传入的字节数组 buf!=nil，len(buf)>0，就使用 buf 作为全局缓冲区
	return copyBuffer(dst, src, buf)
}

CopyN

CopyN 的作用与 Copy 类似，都是用于从 Reader 复制数据到 Writer，但是 CopyN 限制了复制的字节数为 n，方法返回最终复制完成的长度 written 和产生的error err。

func CopyN(dst Writer, src Reader, n int64) (written int64, err error) {

	// 调用 Copy 方法复制数据，不过将Reader src 封装成了最多读取 n 个字节的 LimitReader，
	// 该LimitReader 最多读取n个字节，那么复制最多也就能完成 n 个字节
	written, err = Copy(dst, LimitReader(src, n))

	// written == n，说明成功复制，err=nil
	if written == n {
		return n, nil
	}

	//  err == nil，说明上面调用Copy方法完成了复制；
	//  written < n，说明 LimitReader 没有读取完 n 个字节就遇到了 EOF，方法没有完成复制n个字节的任务，返回 err = EOF
	if written < n && err == nil {
		// src stopped early; must have been EOF.
		err = EOF
	}

	// 其他错误，直接返回该错误即可

	return
}

总结

本篇文章对 io包中的三个结构体以及方法进行了源码分析，主要内容如下：

结构体
- LimitedReader: 限制了读取的字节数
- SectionReader: 限制了读取的范围
- teeReader: 充当Reader 和 Writer 的桥梁，完成数据中转
方法
- WriteString: 写字符串
- ReadAtLeast: 至少读取 min 个字节
- ReadFull: 将传入的字节数组填充满
- copyBuffer: 使用缓冲数组，完成 Reader 到 Writer 的数据复制
- Copy: 不能提供全局缓冲数组，利用 copyBuffer 完成复制
- CopyBuffer: 可以提供全局缓冲数组，利用 copyBuffer 完成复制
- CopyN: 利用 LimitedReader，复制 n 个字节

看到这里，你是否也像我一样，惊艳于 go语言接口设计的简洁和精妙呢？那就一起Keep Leaning 吧！

个人博客: lifelmy.github.io/

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结构体

LimitedReader

SectionReader

teeReader

方法定义

WriteString

ReadAtLeast

ReadFull

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Copy

CopyBuffer

CopyN

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