Vue+Koa2+mongoose写一个像素绘板的实现方法

前言

github： |

为什么是绘板：

作为一名前端，总会有意无意接触到 nodejs 、有意无意会去看文档、有意无意会注意到框架，但真当需要我们需要在工作中善用它时，多半还是要感叹一句“纸上得来终觉浅”。所以一周前我决定进行一个实践尝试，希望能把以往无意中学到的知识融汇贯通，最终选择把以前的一个画板 demo 重写并添加 server 端。

技术栈

• [vue + vuex + vue-router] 页面渲染 + 数据共享 + 路由跳转
• [axios] 以 promise 的方式使用 http 请求
• [stylus] css 预处理
• [element-ui] ui 库
• [webpack] 打包上面这些东西
• [koa 2 & koa-generator] nodejs 框架和框架脚手架
• [mongodb & mongoose] 数据库和操作数据库的库
• [node-canvas] 服务端数据副本记录
• [socket.io] 实时推送
• [pm2] node 服务部署
• [nginx] 部署静态资源访问服务（https），代理请求
• [letsencrypt] 生成免费的 https 证书

webpack 之所以也被列出来，是因为本项目作为项目 luwuer.com 的一个模块，需要 webpack 来实现独立打包

node-canvas

安装

node-canvas 是我目前遇到过最难安装的依赖，以至于我根本不想在 windows 下安装他，它的功能依赖很多系统下默认不存在的包，在 github 上也能看到很多 issue 的标签是 installation help。以 centos 7 纯净版为例，在安装它之前你需要安装以下这些依赖，值得注意的是 npm 文档上提供的命令没有 cairo 。

# centos 前置条件
sudo yum install gcc-c++ cairo cairo-devel pango-devel libjpeg-turbo-devel giflib-devel
# 安装本体
yarn add canvas -d

还有一个不明所以的坑，如果前置条件准备就绪后，安装本体仍然一直卡取包这一步（不报错），此时需要单独更新一下 npm

使用示例

参考文档很容易就能掌握基本用法，下方例子中先取到像素点数据生成 imagedata ，然后通过 putimagedata 把历史数据画到 canvas 。

const {
 createcanvas,
 createimagedata
} = require('canvas')

const canvas = createcanvas(canvaswidth, canvasheight)
const ctx = canvas.getcontext('2d')

// 初始化
const init = callback => {
 dot.querydots().then(data => {
  let imgdata = new createimagedata(
   uint8clampedarray.from(data),
   canvaswidth,
   canvasheight
  )

  // 移除 smooth
  ctx.mozimagesmoothingenabled = false
  ctx.webkitimagesmoothingenabled = false
  ctx.msimagesmoothingenabled = false
  ctx.imagesmoothingenabled = false
  ctx.putimagedata(imgdata, 0, 0, 0, 0, canvaswidth, canvasheight)

  successlog('canvas render complete !')

  callback()
 })
}

socket.io

本项目在设计上有两个必须用到推送的地方，一是其他用户的建点信息，二是所有用户发送的聊天消息。

client

// socket.io init
// transports: [ 'websocket' ]
window.socket = io.connect(window.location.origin.replace(/https/, 'wss'))

// 接收图片
window.socket.on('dataurl', data => {
 this.imageobject.src = data.url
 this.loadinfo.push('渲染图像...')

 this.init()
})

// 接收其他用户建点
window.socket.on('newdot', data => {
 this.savedot(
  {
   x: data.index % this.width,
   y: math.floor(data.index / this.width),
   color: data.color
  },
  false
 )
})

// 接收所有人的最新推送消息
window.socket.on('newchat', data => {
 if (this.msgs.length === 50) {
  this.msgs.shift()
 }

 this.msgs.push(data)
})

server /bin/www

let http = require('http');
let io = require('socket.io')
let server = http.createserver(app.callback())
let ws = io.listen(server)
server.listen(port)

ws.on('connection', socket => {
 // 建立连接的 client 加入房间 chatroom ，为了下方可以广播
 socket.join('chatroom')

 socket.emit('dataurl', {
  url: cv.getdataurl()
 })

 socket.on('savedot', async data => {
  // 推送给其他用户，即广播
  socket.broadcast.to('chatroom').emit('newdot', data)
  savedothandle(data)
 })

 socket.on('newchat', async data => {
  // 推送给所有用户
  ws.sockets.emit('newchat', data)
  newchathandle(data)
 })
})

letsencrypt

申请证书

# 获得程序
git clone https://github.com/letsencrypt/letsencrypt
cd letsencrypt
# 自动生成证书(环境安装完毕后会有两次确认),证书目录 /etc/letsencrypt/live/{输入的第一个域名} 我这里是 /etc/letsencrypt/live/www.luwuer.com/
./letsencrypt-auto certonly --standalone --email [e-mail] -d www.luwuer.com -d luwuer.com

自动续期

# 进入定时任务编辑
crontab -e
# 提交申请，我这里设置每两月一次，过期时间为三月
* * * */2 * cd /root/certificate/letsencrypt && ./letsencrypt-auto certonly --renew

nginx

yum install -y nginx

/etc/nginx/config.d/https.conf

server {
 # 使用 http/2，需要 nginx1.9.7 以上版本
 listen 443 ssl http2 default_server;

 # 开启hsts，并设置有效期为“6307200秒”（6个月），包括子域名(根据情况可删掉)，预加载到浏览器缓存(根据情况可删掉)
 add_header strict-transport-security "max-age=6307200; preload";
 # add_header strict-transport-security "max-age=6307200; includesubdomains; preload";
 # 禁止被嵌入框架
 add_header x-frame-options deny;
 # 防止在ie9、chrome和safari中的mime类型混淆攻击
 add_header x-content-type-options nosniff;
 # ssl 证书
 ssl_certificate /etc/letsencrypt/live/www.luwuer.com/fullchain.pem;
 ssl_certificate_key /etc/letsencrypt/live/www.luwuer.com/privkey.pem;
 # ocsp stapling 证书
 ssl_trusted_certificate /etc/letsencrypt/live/www.luwuer.com/chain.pem;
 # ocsp stapling 开启，ocsp是用于在线查询证书吊销情况的服务，使用ocsp stapling能将证书有效状态的信息缓存到服务器，提高tls握手速度
 ssl_stapling_verify on;
 #ocsp stapling 验证开启
 ssl_stapling on; 
 #用于查询ocsp服务器的dns 
 resolver 8.8.8.8 8.8.4.4 valid=300s;
 # dh-key交换密钥文件位置
 ssl_dhparam /etc/letsencrypt/ssl-dhparams.pem;
 # 指定协议 tls
 ssl_protocols tlsv1 tlsv1.1 tlsv1.2; 
 # 加密套件,这里用了cloudflare's internet facing ssl cipher configuration
 ssl_ciphers eecdh+chacha20:eecdh+chacha20-draft:eecdh+aes128:rsa+aes128:eecdh+aes256:rsa+aes256:eecdh+3des:rsa+3des:!md5;
 # 由服务器协商最佳的加密算法
 ssl_prefer_server_ciphers on;

 server_name ~^(\w+\.)?(luwuer\.com)$; # $1 = 'blog.' || 'img.' || '' || 'www.' ; $2 = 'luwuer.com'
 set $pre $1;
 if ($pre = 'www.') {
  set $pre '';
 }
 set $next $2;
 
 root /root/apps/$pre$next;

 location / {
  try_files $uri $uri/ /index.html;
  index index.html;
 }

 location ^~ /api/ {
  proxy_pass http://43.226.147.135:3000/;
  proxy_set_header x-forwarded-for $proxy_add_x_forwarded_for;
 }
 
 # socket代理配置
 location /socket.io/ {
  proxy_pass http://43.226.147.135:3000;
  proxy_http_version 1.1;
  proxy_set_header upgrade $http_upgrade;
  proxy_set_header connection "upgrade";
 }

 # location /weibo/ {
 #   proxy_pass https://api.weibo.com/;
 # }

 include /etc/nginx/utils/cache.conf;
}

server {
 listen 80;
 server_name www.luwuer.com;
 rewrite ^(.*)$ https://$server_name$request_uri;
}

附录

数据库存储结构思考历程

首先需求是画板可以作画实际大小为 { width: 1024px, height: 512px } ，这就意味着有 1024 * 512 = 524,288 个像素点，或则有 524,288 * 4 = 2,097,152 个表示颜色的数字，这些数据量在不做压缩的情况下，最小存储方式是后者剔除掉 rgba 中的 a ，也就是一个长度为 524,288 * 3 = 1,572,864 的数组，如果赋值给变量占用内存大概 1.5m （数据来源于 chrome memory）。为了存储以上结构，我首先分了两种类型的存储结构：

以点为对象存储，也就是说会有 524,288 条数据

1. 颜色 rbga 存储，后优化为 rgb 存储
2. 颜色 16 进制存储

整个画布数据当作一条数据存储

虽然看起来结构2有点蠢，但起初我确实思考过这样的结构，那时我还不清楚原来取数据最耗时的不是查询而是 io 。
后来我分别测试 1.1 和 1.2 这两种结构，然后直接否定了结构 2，因为在测试中我发现了 io 耗时占总耗时超过 98% ，而结构 2 无疑不能因为单条数据取得绝对的性能优势。

1.1

• 存储大小 10m
• 取出全部数据 8000+ms
• 全表查询 150ms （findone 和 find 对比结果）
• 其余耗时 20ms （findone 和 find 对比结果）

1.2

• 存储大小 10m
• 取出全部数据 7500+ms
• 全表查询
• 其余耗时

结构 2 如果取数据不是毫秒级，就是死刑，因为这种结构下单个像素变动就需要存储整个图片数据

老实讲这个测试结果让我有些难以接受，问了好几个认识的后端为什么性能这么差、有没有解决办法，但都没什么结果。更可怕的是，测试是在我 i7 cpu 的台式电脑上进行的，当我把测试环境放到单核服务器上时，取全表数据的耗时还要乘以 10 。好在只要想一个问题久了，即使有时只是想着这个问题发呆，也总能迸发出一些莫名的灵感。我想到了关键之一数据可以只在服务启动时取出放到内存中，像素发生改变时数据库和内存数据副本同步修改，于是得以继续开发下去。最终我选择了 1.1 的结构，选择原因和下文的“数据传输”有关。

const mongoose = require('mongoose')

let schema = new mongoose.schema({
 index: {
  type: number,
  index: true
 },
 r: number,
 g: number,
 b: number
}, {
 collection: 'dots'
})

index 代替 x & y 以及移除 rgba 中的 a 在代码中再补上，都能显著降低 collection 的实际存储大小

在测试过程中其实还有个特别奇怪的问题，就是单核小霸王服务器上，我如果一次性取出所有数据存储到一个 array 中，程序会在中途奔溃，没有任何报错信息。起初我以为是 cpu 满荷载久了导致的奔溃（top 查看硬件使用信息），所以还特意新租了一个服务器，想用一个群里的朋友提醒的“分布式”。再后面一段时间，我通过分页取数据，发现程序总是在取第二十万零几百条（一个固定数字）是陡然奔溃，所以为 cpu 证了清白。

ps：好在以前没分布式经验，不然一条路走到黑，可能现在都还以为是 cpu 的问题呢。

数据传输思考历程

上面有提到过，长度为 1,572,864 的颜色数组占用内存为 1.5m ，我猜想数据传输时也是这个大小。起初我想，我得把这个数据压缩压缩（不是指 gzip ），但由于不会，就想到了替代方案。前面已经为了避免取数时高额的 io 消耗，会在内存中存储一个数据副本，我想到这个数据我可以通过拼接（1.1 的结构相对而言 cpu 消耗少得多）生成 imagedata 再通过 ctx.putimagedata 画到 canvas 上，这就是关键之二把数据副本画在服务器上的一个 canvas 上。

然后就好办了，可以通过 ctx.todataurl || fs.writefile('{path}', canvas.tobuffer('image/jpeg') 把数据以图片的方式推送给客户端，图片本身的算法帮助我们压缩了数据，不用自己捣鼓。事实上压缩率非常可观，前期画板上几乎都是重复颜色时，1.5m 数据甚至可以压缩到小于 10k，后期估计应该也在 300k 以内。

鉴于 dataurl 更方便，这里我采用的 dataurl 的方式传递图片数据。

工作记录

• day 1 把像素画板前端内容重构一遍，解决图像过大时放大视图卡顿的问题
• day 2 处理后端逻辑，由于数据库io限制，尝试不同的存储结构，但性能都不理想
• day 3 继续问题研究，最后决定在服务端也同步一份 canvas 操作，而不是只存在库里，但流程还没走通，因为下午睡了一觉
• day 4 1核1g服务器在访问数据库取50w条数据时崩溃，后通过和朋友讨论，在无意中发现了实际问题，就有了解决方案(部分时间在新服务器配了套环境，不过由于问题解决又弃用了)
• day 5 增加公告、用户、聊天、像素点历史信息查询功能
• day 6/7 解决 socket.io https 问题，通宵两天最后发现是 cdn 加速问题，差点螺旋升天

day 4 说的实际问题，我只能大概定位在 nodejs 变量大小限制或对象个数限制，因为在我将 50w 长度 array[object] 转换为 200w 长度 array[number] 后问题消失了，知道具体原因的大佬望不吝赐教。

记录是从日记里复制过来的，day 6/7 确实是最艰难的两天，其实代码从一开始就没什么错，有问题的是又拍云的 cdn 加速，可怖的是我根本没想到罪魁祸首是他。其实在两天的重复测试中，因为实在是无计可施，我也有两次怀疑 cdn 。第一次，我把域名解析到服务器 ip ，但测试结果仍然报错，之后就又恢复了加速。第二次是在第七天的早上五点，当时头很胀很难受就直接停了 cdn ，想着最后测试一下不行就去掉 cdn 的 https 证书用 http 访问。那时我才发现，在我 ping 域名确定解析已经改变后（修改解析后大概 10 分钟），域名又会间隙性被重新解析到 cdn （这个反复原因不知道为什么，阿里云的域名解析服务），第一次测试不准应该就是这个原因，稍长时间后就不再会了。解决后我有意恢复 cdn 加速测试，但始终没找出究竟是哪一个配置导致了问题，所以最终我也没能恢复加速。

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持。