二进制数组 修改教程

二进制数组(ArrayBuffer对象、TypedArray视图和DataView视图)是 JavaScript 操作二进制数据的一个接口。这些对象早就存在,属于独立的规格(2011年2月发布),ES6 将它们纳入了 ECMAScript 规格,并且增加了新的方法。

这个接口的原始设计目的,与 WebGL 项目有关。所谓WebGL,就是指浏览器与显卡之间的通信接口,为了满足 JavaScript 与显卡之间大量的、实时的数据交换,它们之间的数据通信必须是二进制的,而不能是传统的文本格式。文本格式传递一个32位整数,两端的 JavaScript 脚本与显卡都要进行格式转化,将非常耗时。这时要是存在一种机制,可以像 C 语言那样,直接操作字节,将4个字节的32位整数,以二进制形式原封不动地送入显卡,脚本的性能就会大幅提升。

二进制数组就是在这种背景下诞生的。它很像C语言的数组,允许开发者以数组下标的形式,直接操作内存,大大增强了JavaScript处理二进制数据的能力,使得开发者有可能通过JavaScript与操作系统的原生接口进行二进制通信。

二进制数组由三类对象组成。

(1)ArrayBuffer对象:代表内存之中的一段二进制数据,可以通过“视图”进行操作。“视图”部署了数组接口,这意味着,可以用数组的方法操作内存。

(2)TypedArray视图:共包括9种类型的视图,比如Uint8Array(无符号8位整数)数组视图, Int16Array(16位整数)数组视图, Float32Array(32位浮点数)数组视图等等。

(3)DataView视图:可以自定义复合格式的视图,比如第一个字节是Uint8(无符号8位整数)、第二、三个字节是Int16(16位整数)、第四个字节开始是Float32(32位浮点数)等等,此外还可以自定义字节序。

简单说,ArrayBuffer对象代表原始的二进制数据,TypedArray视图用来读写简单类型的二进制数据,DataView视图用来读写复杂类型的二进制数据。

TypedArray视图支持的数据类型一共有9种(DataView视图支持除Uint8C以外的其他8种)。

数据类型 字节长度 含义 对应的C语言类型
Int8 1 8位带符号整数 signed char
Uint8 1 8位不带符号整数 unsigned char
Uint8C 1 8位不带符号整数(自动过滤溢出) unsigned char
Int16 2 16位带符号整数 short
Uint16 2 16位不带符号整数 unsigned short
Int32 4 32位带符号整数 int
Uint32 4 32位不带符号的整数 unsigned int
Float32 4 32位浮点数 float
Float64 8 64位浮点数 double

注意,二进制数组并不是真正的数组,而是类似数组的对象。

很多浏览器操作的API,用到了二进制数组操作二进制数据,下面是其中的几个。

  • File API
  • XMLHttpRequest
  • Fetch API
  • Canvas
  • WebSockets

ArrayBuffer对象

概述

ArrayBuffer对象代表储存二进制数据的一段内存,它不能直接读写,只能通过视图(TypedArray视图和DataView视图)来读写,视图的作用是以指定格式解读二进制数据。

ArrayBuffer也是一个构造函数,可以分配一段可以存放数据的连续内存区域。

var buf = new ArrayBuffer(32);

上面代码生成了一段32字节的内存区域,每个字节的值默认都是0。可以看到,ArrayBuffer构造函数的参数是所需要的内存大小(单位字节)。

为了读写这段内容,需要为它指定视图。DataView视图的创建,需要提供ArrayBuffer对象实例作为参数。

var buf = new ArrayBuffer(32);
var dataView = new DataView(buf);
dataView.getUint8(0) // 0

上面代码对一段32字节的内存,建立DataView视图,然后以不带符号的8位整数格式,读取第一个元素,结果得到0,因为原始内存的ArrayBuffer对象,默认所有位都是0。

另一种TypedArray视图,与DataView视图的一个区别是,它不是一个构造函数,而是一组构造函数,代表不同的数据格式。

var buffer = new ArrayBuffer(12);

var x1 = new Int32Array(buffer);
x1[0] = 1;
var x2 = new Uint8Array(buffer);
x2[0]  = 2;

x1[0] // 2

上面代码对同一段内存,分别建立两种视图:32位带符号整数(Int32Array构造函数)和8位不带符号整数(Uint8Array构造函数)。由于两个视图对应的是同一段内存,一个视图修改底层内存,会影响到另一个视图。

TypedArray视图的构造函数,除了接受ArrayBuffer实例作为参数,还可以接受普通数组作为参数,直接分配内存生成底层的ArrayBuffer实例,并同时完成对这段内存的赋值。

var typedArray = new Uint8Array([0,1,2]);
typedArray.length // 3

typedArray[0] = 5;
typedArray // [5, 1, 2]

上面代码使用TypedArray视图的Uint8Array构造函数,新建一个不带符号的8位整数视图。可以看到,Uint8Array直接使用普通数组作为参数,对底层内存的赋值同时完成。

ArrayBuffer.prototype.byteLength

ArrayBuffer实例的byteLength属性,返回所分配的内存区域的字节长度。

var buffer = new ArrayBuffer(32);
buffer.byteLength
// 32

如果要分配的内存区域很大,有可能分配失败(因为没有那么多的连续空余内存),所以有必要检查是否分配成功。

if (buffer.byteLength === n) {
  // 成功
} else {
  // 失败
}

ArrayBuffer.prototype.slice()

ArrayBuffer实例有一个slice方法,允许将内存区域的一部分,拷贝生成一个新的ArrayBuffer对象。

var buffer = new ArrayBuffer(8);
var newBuffer = buffer.slice(0, 3);

上面代码拷贝buffer对象的前3个字节(从0开始,到第3个字节前面结束),生成一个新的ArrayBuffer对象。slice方法其实包含两步,第一步是先分配一段新内存,第二步是将原来那个ArrayBuffer对象拷贝过去。

slice方法接受两个参数,第一个参数表示拷贝开始的字节序号(含该字节),第二个参数表示拷贝截止的字节序号(不含该字节)。如果省略第二个参数,则默认到原ArrayBuffer对象的结尾。

除了slice方法,ArrayBuffer对象不提供任何直接读写内存的方法,只允许在其上方建立视图,然后通过视图读写。

ArrayBuffer.isView()

ArrayBuffer有一个静态方法isView,返回一个布尔值,表示参数是否为ArrayBuffer的视图实例。这个方法大致相当于判断参数,是否为TypedArray实例或DataView实例。

var buffer = new ArrayBuffer(8);
ArrayBuffer.isView(buffer) // false

var v = new Int32Array(buffer);
ArrayBuffer.isView(v) // true

TypedArray视图

概述

ArrayBuffer对象作为内存区域,可以存放多种类型的数据。同一段内存,不同数据有不同的解读方式,这就叫做“视图”(view)。ArrayBuffer有两种视图,一种是TypedArray视图,另一种是DataView视图。前者的数组成员都是同一个数据类型,后者的数组成员可以是不同的数据类型。

目前,TypedArray视图一共包括9种类型,每一种视图都是一种构造函数。

  • Int8Array:8位有符号整数,长度1个字节。
  • Uint8Array:8位无符号整数,长度1个字节。
  • Uint8ClampedArray:8位无符号整数,长度1个字节,溢出处理不同。
  • Int16Array:16位有符号整数,长度2个字节。
  • Uint16Array:16位无符号整数,长度2个字节。
  • Int32Array:32位有符号整数,长度4个字节。
  • Uint32Array:32位无符号整数,长度4个字节。
  • Float32Array:32位浮点数,长度4个字节。
  • Float64Array:64位浮点数,长度8个字节。

这9个构造函数生成的数组,统称为TypedArray视图。它们很像普通数组,都有length属性,都能用方括号运算符([])获取单个元素,所有数组的方法,在它们上面都能使用。普通数组与TypedArray数组的差异主要在以下方面。

  • TypedArray数组的所有成员,都是同一种类型。
  • TypedArray数组的成员是连续的,不会有空位。
  • TypedArray数组成员的默认值为0。比如,new Array(10)返回一个普通数组,里面没有任何成员,只是10个空位;new Uint8Array(10)返回一个TypedArray数组,里面10个成员都是0。
  • TypedArray数组只是一层视图,本身不储存数据,它的数据都储存在底层的ArrayBuffer对象之中,要获取底层对象必须使用buffer属性。

构造函数

TypedArray数组提供9种构造函数,用来生成相应类型的数组实例。

构造函数有多种用法。

(1)TypedArray(buffer, byteOffset=0, length?)

同一个ArrayBuffer对象之上,可以根据不同的数据类型,建立多个视图。

// 创建一个8字节的ArrayBuffer
var b = new ArrayBuffer(8);

// 创建一个指向b的Int32视图,开始于字节0,直到缓冲区的末尾
var v1 = new Int32Array(b);

// 创建一个指向b的Uint8视图,开始于字节2,直到缓冲区的末尾
var v2 = new Uint8Array(b, 2);

// 创建一个指向b的Int16视图,开始于字节2,长度为2
var v3 = new Int16Array(b, 2, 2);

上面代码在一段长度为8个字节的内存(b)之上,生成了三个视图:v1v2v3

视图的构造函数可以接受三个参数:

  • 第一个参数(必需):视图对应的底层ArrayBuffer对象。
  • 第二个参数(可选):视图开始的字节序号,默认从0开始。
  • 第三个参数(可选):视图包含的数据个数,默认直到本段内存区域结束。

因此,v1v2v3是重叠的:v1[0]是一个32位整数,指向字节0~字节3;v2[0]是一个8位无符号整数,指向字节2;v3[0]是一个16位整数,指向字节2~字节3。只要任何一个视图对内存有所修改,就会在另外两个视图上反应出来。

注意,byteOffset必须与所要建立的数据类型一致,否则会报错。

var buffer = new ArrayBuffer(8);
var i16 = new Int16Array(buffer, 1);
// Uncaught RangeError: start offset of Int16Array should be a multiple of 2

上面代码中,新生成一个8个字节的ArrayBuffer对象,然后在这个对象的第一个字节,建立带符号的16位整数视图,结果报错。因为,带符号的16位整数需要两个字节,所以byteOffset参数必须能够被2整除。

如果想从任意字节开始解读ArrayBuffer对象,必须使用DataView视图,因为TypedArray视图只提供9种固定的解读格式。

(2)TypedArray(length)

视图还可以不通过ArrayBuffer对象,直接分配内存而生成。

var f64a = new Float64Array(8);
f64a[0] = 10;
f64a[1] = 20;
f64a[2] = f64a[0] + f64a[1];

上面代码生成一个8个成员的Float64Array数组(共64字节),然后依次对每个成员赋值。这时,视图构造函数的参数就是成员的个数。可以看到,视图数组的赋值操作与普通数组的操作毫无两样。

(3)TypedArray(typedArray)

TypedArray数组的构造函数,可以接受另一个TypedArray实例作为参数。

var typedArray = new Int8Array(new Uint8Array(4));

上面代码中,Int8Array构造函数接受一个Uint8Array实例作为参数。

注意,此时生成的新数组,只是复制了参数数组的值,对应的底层内存是不一样的。新数组会开辟一段新的内存储存数据,不会在原数组的内存之上建立视图。

var x = new Int8Array([1, 1]);
var y = new Int8Array(x);
x[0] // 1
y[0] // 1

x[0] = 2;
y[0] // 1

上面代码中,数组y是以数组x为模板而生成的,当x变动的时候,y并没有变动。

如果想基于同一段内存,构造不同的视图,可以采用下面的写法。

var x = new Int8Array([1, 1]);
var y = new Int8Array(x.buffer);
x[0] // 1
y[0] // 1

x[0] = 2;
y[0] // 2

(4)TypedArray(arrayLikeObject)

构造函数的参数也可以是一个普通数组,然后直接生成TypedArray实例。

var typedArray = new Uint8Array([1, 2, 3, 4]);

注意,这时TypedArray视图会重新开辟内存,不会在原数组的内存上建立视图。

上面代码从一个普通的数组,生成一个8位无符号整数的TypedArray实例。

TypedArray数组也可以转换回普通数组。

var normalArray = Array.prototype.slice.call(typedArray);

数组方法

普通数组的操作方法和属性,对TypedArray数组完全适用。

  • TypedArray.prototype.copyWithin(target, start[, end = this.length])
  • TypedArray.prototype.entries()
  • TypedArray.prototype.every(callbackfn, thisArg?)
  • TypedArray.prototype.fill(value, start=0, end=this.length)
  • TypedArray.prototype.filter(callbackfn, thisArg?)
  • TypedArray.prototype.find(predicate, thisArg?)
  • TypedArray.prototype.findIndex(predicate, thisArg?)
  • TypedArray.prototype.forEach(callbackfn, thisArg?)
  • TypedArray.prototype.indexOf(searchElement, fromIndex=0)
  • TypedArray.prototype.join(separator)
  • TypedArray.prototype.keys()
  • TypedArray.prototype.lastIndexOf(searchElement, fromIndex?)
  • TypedArray.prototype.map(callbackfn, thisArg?)
  • TypedArray.prototype.reduce(callbackfn, initialValue?)
  • TypedArray.prototype.reduceRight(callbackfn, initialValue?)
  • TypedArray.prototype.reverse()
  • TypedArray.prototype.slice(start=0, end=this.length)
  • TypedArray.prototype.some(callbackfn, thisArg?)
  • TypedArray.prototype.sort(comparefn)
  • TypedArray.prototype.toLocaleString(reserved1?, reserved2?)
  • TypedArray.prototype.toString()
  • TypedArray.prototype.values()

上面所有方法的用法,请参阅数组方法的介绍,这里不再重复了。

注意,TypedArray数组没有concat方法。如果想要合并多个TypedArray数组,可以用下面这个函数。

function concatenate(resultConstructor, ...arrays) {
  let totalLength = 0;
  for (let arr of arrays) {
    totalLength += arr.length;
  }
  let result = new resultConstructor(totalLength);
  let offset = 0;
  for (let arr of arrays) {
    result.set(arr, offset);
    offset += arr.length;
  }
  return result;
}

concatenate(Uint8Array, Uint8Array.of(1, 2), Uint8Array.of(3, 4))
// Uint8Array [1, 2, 3, 4]

另外,TypedArray数组与普通数组一样,部署了Iterator接口,所以可以被遍历。

let ui8 = Uint8Array.of(0, 1, 2);
for (let byte of ui8) {
  console.log(byte);
}
// 0
// 1
// 2

字节序

字节序指的是数值在内存中的表示方式。

var buffer = new ArrayBuffer(16);
var int32View = new Int32Array(buffer);

for (var i = 0; i < int32View.length; i++) {
  int32View[i] = i * 2;
}

上面代码生成一个16字节的ArrayBuffer对象,然后在它的基础上,建立了一个32位整数的视图。由于每个32位整数占据4个字节,所以一共可以写入4个整数,依次为0,2,4,6。

如果在这段数据上接着建立一个16位整数的视图,则可以读出完全不一样的结果。

var int16View = new Int16Array(buffer);

for (var i = 0; i < int16View.length; i++) {
  console.log("Entry " + i + ": " + int16View[i]);
}
// Entry 0: 0
// Entry 1: 0
// Entry 2: 2
// Entry 3: 0
// Entry 4: 4
// Entry 5: 0
// Entry 6: 6
// Entry 7: 0

由于每个16位整数占据2个字节,所以整个ArrayBuffer对象现在分成8段。然后,由于x86体系的计算机都采用小端字节序(little endian),相对重要的字节排在后面的内存地址,相对不重要字节排在前面的内存地址,所以就得到了上面的结果。

比如,一个占据四个字节的16进制数0x12345678,决定其大小的最重要的字节是“12”,最不重要的是“78”。小端字节序将最不重要的字节排在前面,储存顺序就是78563412;大端字节序则完全相反,将最重要的字节排在前面,储存顺序就是12345678。目前,所有个人电脑几乎都是小端字节序,所以TypedArray数组内部也采用小端字节序读写数据,或者更准确的说,按照本机操作系统设定的字节序读写数据。

这并不意味大端字节序不重要,事实上,很多网络设备和特定的操作系统采用的是大端字节序。这就带来一个严重的问题:如果一段数据是大端字节序,TypedArray数组将无法正确解析,因为它只能处理小端字节序!为了解决这个问题,JavaScript引入DataView对象,可以设定字节序,下文会详细介绍。

下面是另一个例子。

// 假定某段buffer包含如下字节 [0x02, 0x01, 0x03, 0x07]
var buffer = new ArrayBuffer(4);
var v1 = new Uint8Array(buffer);
v1[0] = 2;
v1[1] = 1;
v1[2] = 3;
v1[3] = 7;

var uInt16View = new Uint16Array(buffer);

// 计算机采用小端字节序
// 所以头两个字节等于258
if (uInt16View[0] === 258) {
  console.log('OK'); // "OK"
}

// 赋值运算
uInt16View[0] = 255;    // 字节变为[0xFF, 0x00, 0x03, 0x07]
uInt16View[0] = 0xff05; // 字节变为[0x05, 0xFF, 0x03, 0x07]
uInt16View[1] = 0x0210; // 字节变为[0x05, 0xFF, 0x10, 0x02]

下面的函数可以用来判断,当前视图是小端字节序,还是大端字节序。

const BIG_ENDIAN = Symbol('BIG_ENDIAN');
const LITTLE_ENDIAN = Symbol('LITTLE_ENDIAN');

function getPlatformEndianness() {
  let arr32 = Uint32Array.of(0x12345678);
  let arr8 = new Uint8Array(arr32.buffer);
  switch ((arr8[0]*0x1000000) + (arr8[1]*0x10000) + (arr8[2]*0x100) + (arr8[3])) {
    case 0x12345678:
      return BIG_ENDIAN;
    case 0x78563412:
      return LITTLE_ENDIAN;
    default:
      throw new Error('Unknown endianness');
  }
}

总之,与普通数组相比,TypedArray数组的最大优点就是可以直接操作内存,不需要数据类型转换,所以速度快得多。

BYTES_PER_ELEMENT属性

每一种视图的构造函数,都有一个BYTES_PER_ELEMENT属性,表示这种数据类型占据的字节数。

Int8Array.BYTES_PER_ELEMENT // 1
Uint8Array.BYTES_PER_ELEMENT // 1
Int16Array.BYTES_PER_ELEMENT // 2
Uint16Array.BYTES_PER_ELEMENT // 2
Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT // 4
Uint32Array.BYTES_PER_ELEMENT // 4
Float32Array.BYTES_PER_ELEMENT // 4
Float64Array.BYTES_PER_ELEMENT // 8

这个属性在TypedArray实例上也能获取,即有TypedArray.prototype.BYTES_PER_ELEMENT

ArrayBuffer与字符串的互相转换

ArrayBuffer转为字符串,或者字符串转为ArrayBuffer,有一个前提,即字符串的编码方法是确定的。假定字符串采用UTF-16编码(JavaScript的内部编码方式),可以自己编写转换函数。

// ArrayBuffer转为字符串,参数为ArrayBuffer对象
function ab2str(buf) {
  return String.fromCharCode.apply(null, new Uint16Array(buf));
}

// 字符串转为ArrayBuffer对象,参数为字符串
function str2ab(str) {
  var buf = new ArrayBuffer(str.length * 2); // 每个字符占用2个字节
  var bufView = new Uint16Array(buf);
  for (var i = 0, strLen = str.length; i < strLen; i++) {
    bufView[i] = str.charCodeAt(i);
  }
  return buf;
}

溢出

不同的视图类型,所能容纳的数值范围是确定的。超出这个范围,就会出现溢出。比如,8位视图只能容纳一个8位的二进制值,如果放入一个9位的值,就会溢出。

TypedArray数组的溢出处理规则,简单来说,就是抛弃溢出的位,然后按照视图类型进行解释。

var uint8 = new Uint8Array(1);

uint8[0] = 256;
uint8[0] // 0

uint8[0] = -1;
uint8[0] // 255

上面代码中,uint8是一个8位视图,而256的二进制形式是一个9位的值100000000,这时就会发生溢出。根据规则,只会保留后8位,即00000000uint8视图的解释规则是无符号的8位整数,所以00000000就是0

负数在计算机内部采用“2的补码”表示,也就是说,将对应的正数值进行否运算,然后加1。比如,-1对应的正值是1,进行否运算以后,得到11111110,再加上1就是补码形式11111111uint8按照无符号的8位整数解释11111111,返回结果就是255

一个简单转换规则,可以这样表示。

  • 正向溢出(overflow):当输入值大于当前数据类型的最大值,结果等于当前数据类型的最小值加上余值,再减去1。
  • 负向溢出(underflow):当输入值小于当前数据类型的最小值,结果等于当前数据类型的最大值减去余值,再加上1。

上面的“余值”就是模运算的结果,即 JavaScript 里面的%运算符的结果。

12 % 4 // 0
12 % 5 // 2

上面代码中,12除以4是没有余值的,而除以5会得到余值2。

请看下面的例子。

var int8 = new Int8Array(1);

int8[0] = 128;
int8[0] // -128

int8[0] = -129;
int8[0] // 127

上面例子中,int8是一个带符号的8位整数视图,它的最大值是127,最小值是-128。输入值为128时,相当于正向溢出1,根据“最小值加上余值(128除以127的余值是1),再减去1”的规则,就会返回-128;输入值为-129时,相当于负向溢出1,根据“最大值减去余值(-129除以-128的余值是1),再加上1”的规则,就会返回127

Uint8ClampedArray视图的溢出规则,与上面的规则不同。它规定,凡是发生正向溢出,该值一律等于当前数据类型的最大值,即255;如果发生负向溢出,该值一律等于当前数据类型的最小值,即0。

var uint8c = new Uint8ClampedArray(1);

uint8c[0] = 256;
uint8c[0] // 255

uint8c[0] = -1;
uint8c[0] // 0

上面例子中,uint8C是一个Uint8ClampedArray视图,正向溢出时都返回255,负向溢出都返回0。

TypedArray.prototype.buffer

TypedArray实例的buffer属性,返回整段内存区域对应的ArrayBuffer对象。该属性为只读属性。

var a = new Float32Array(64);
var b = new Uint8Array(a.buffer);

上面代码的a视图对象和b视图对象,对应同一个ArrayBuffer对象,即同一段内存。

TypedArray.prototype.byteLength,TypedArray.prototype.byteOffset

byteLength属性返回TypedArray数组占据的内存长度,单位为字节。byteOffset属性返回TypedArray数组从底层ArrayBuffer对象的哪个字节开始。这两个属性都是只读属性。

var b = new ArrayBuffer(8);

var v1 = new Int32Array(b);
var v2 = new Uint8Array(b, 2);
var v3 = new Int16Array(b, 2, 2);

v1.byteLength // 8
v2.byteLength // 6
v3.byteLength // 4

v1.byteOffset // 0
v2.byteOffset // 2
v3.byteOffset // 2

TypedArray.prototype.length

length属性表示TypedArray数组含有多少个成员。注意将byteLength属性和length属性区分,前者是字节长度,后者是成员长度。

var a = new Int16Array(8);

a.length // 8
a.byteLength // 16

TypedArray.prototype.set()

TypedArray数组的set方法用于复制数组(普通数组或TypedArray数组),也就是将一段内容完全复制到另一段内存。

var a = new Uint8Array(8);
var b = new Uint8Array(8);

b.set(a);

上面代码复制a数组的内容到b数组,它是整段内存的复制,比一个个拷贝成员的那种复制快得多。

set方法还可以接受第二个参数,表示从b对象的哪一个成员开始复制a对象。

var a = new Uint16Array(8);
var b = new Uint16Array(10);

b.set(a, 2)

上面代码的b数组比a数组多两个成员,所以从b[2]开始复制。

TypedArray.prototype.subarray()

subarray方法是对于TypedArray数组的一部分,再建立一个新的视图。

var a = new Uint16Array(8);
var b = a.subarray(2,3);

a.byteLength // 16
b.byteLength // 2

subarray方法的第一个参数是起始的成员序号,第二个参数是结束的成员序号(不含该成员),如果省略则包含剩余的全部成员。所以,上面代码的a.subarray(2,3),意味着b只包含a[2]一个成员,字节长度为2。

TypedArray.prototype.slice()

TypeArray实例的slice方法,可以返回一个指定位置的新的TypedArray实例。

let ui8 = Uint8Array.of(0, 1, 2);
ui8.slice(-1)
// Uint8Array [ 2 ]

上面代码中,ui8是8位无符号整数数组视图的一个实例。它的slice方法可以从当前视图之中,返回一个新的视图实例。

slice方法的参数,表示原数组的具体位置,开始生成新数组。负值表示逆向的位置,即-1为倒数第一个位置,-2表示倒数第二个位置,以此类推。

TypedArray.of()

TypedArray数组的所有构造函数,都有一个静态方法of,用于将参数转为一个TypedArray实例。

Float32Array.of(0.151, -8, 3.7)
// Float32Array [ 0.151, -8, 3.7 ]

下面三种方法都会生成同样一个TypedArray数组。

// 方法一
let tarr = new Uint8Array([1,2,3]);

// 方法二
let tarr = Uint8Array.of(1,2,3);

// 方法三
let tarr = new Uint8Array(3);
tarr[0] = 1;
tarr[1] = 2;
tarr[2] = 3;

TypedArray.from()

静态方法from接受一个可遍历的数据结构(比如数组)作为参数,返回一个基于这个结构的TypedArray实例。

Uint16Array.from([0, 1, 2])
// Uint16Array [ 0, 1, 2 ]

这个方法还可以将一种TypedArray实例,转为另一种。

var ui16 = Uint16Array.from(Uint8Array.of(0, 1, 2));
ui16 instanceof Uint16Array // true

from方法还可以接受一个函数,作为第二个参数,用来对每个元素进行遍历,功能类似map方法。

Int8Array.of(127, 126, 125).map(x => 2 * x)
// Int8Array [ -2, -4, -6 ]

Int16Array.from(Int8Array.of(127, 126, 125), x => 2 * x)
// Int16Array [ 254, 252, 250 ]

上面的例子中,from方法没有发生溢出,这说明遍历不是针对原来的8位整数数组。也就是说,from会将第一个参数指定的TypedArray数组,拷贝到另一段内存之中,处理之后再将结果转成指定的数组格式。

复合视图

由于视图的构造函数可以指定起始位置和长度,所以在同一段内存之中,可以依次存放不同类型的数据,这叫做“复合视图”。

var buffer = new ArrayBuffer(24);

var idView = new Uint32Array(buffer, 0, 1);
var usernameView = new Uint8Array(buffer, 4, 16);
var amountDueView = new Float32Array(buffer, 20, 1);

上面代码将一个24字节长度的ArrayBuffer对象,分成三个部分:

  • 字节0到字节3:1个32位无符号整数
  • 字节4到字节19:16个8位整数
  • 字节20到字节23:1个32位浮点数

这种数据结构可以用如下的C语言描述:

struct someStruct {
  unsigned long id;
  char username[16];
  float amountDue;
};

DataView视图

如果一段数据包括多种类型(比如服务器传来的HTTP数据),这时除了建立ArrayBuffer对象的复合视图以外,还可以通过DataView视图进行操作。

DataView视图提供更多操作选项,而且支持设定字节序。本来,在设计目的上,ArrayBuffer对象的各种TypedArray视图,是用来向网卡、声卡之类的本机设备传送数据,所以使用本机的字节序就可以了;而DataView视图的设计目的,是用来处理网络设备传来的数据,所以大端字节序或小端字节序是可以自行设定的。

DataView视图本身也是构造函数,接受一个ArrayBuffer对象作为参数,生成视图。

DataView(ArrayBuffer buffer [, 字节起始位置 [, 长度]]);

下面是一个例子。

var buffer = new ArrayBuffer(24);
var dv = new DataView(buffer);

DataView实例有以下属性,含义与TypedArray实例的同名方法相同。

  • DataView.prototype.buffer:返回对应的ArrayBuffer对象
  • DataView.prototype.byteLength:返回占据的内存字节长度
  • DataView.prototype.byteOffset:返回当前视图从对应的ArrayBuffer对象的哪个字节开始

DataView实例提供8个方法读取内存。

  • getInt8:读取1个字节,返回一个8位整数。
  • getUint8:读取1个字节,返回一个无符号的8位整数。
  • getInt16:读取2个字节,返回一个16位整数。
  • getUint16:读取2个字节,返回一个无符号的16位整数。
  • getInt32:读取4个字节,返回一个32位整数。
  • getUint32:读取4个字节,返回一个无符号的32位整数。
  • getFloat32:读取4个字节,返回一个32位浮点数。
  • getFloat64:读取8个字节,返回一个64位浮点数。

这一系列get方法的参数都是一个字节序号(不能是负数,否则会报错),表示从哪个字节开始读取。

var buffer = new ArrayBuffer(24);
var dv = new DataView(buffer);

// 从第1个字节读取一个8位无符号整数
var v1 = dv.getUint8(0);

// 从第2个字节读取一个16位无符号整数
var v2 = dv.getUint16(1);

// 从第4个字节读取一个16位无符号整数
var v3 = dv.getUint16(3);

上面代码读取了ArrayBuffer对象的前5个字节,其中有一个8位整数和两个十六位整数。

如果一次读取两个或两个以上字节,就必须明确数据的存储方式,到底是小端字节序还是大端字节序。默认情况下,DataViewget方法使用大端字节序解读数据,如果需要使用小端字节序解读,必须在get方法的第二个参数指定true

// 小端字节序
var v1 = dv.getUint16(1, true);

// 大端字节序
var v2 = dv.getUint16(3, false);

// 大端字节序
var v3 = dv.getUint16(3);

DataView视图提供8个方法写入内存。

  • setInt8:写入1个字节的8位整数。
  • setUint8:写入1个字节的8位无符号整数。
  • setInt16:写入2个字节的16位整数。
  • setUint16:写入2个字节的16位无符号整数。
  • setInt32:写入4个字节的32位整数。
  • setUint32:写入4个字节的32位无符号整数。
  • setFloat32:写入4个字节的32位浮点数。
  • setFloat64:写入8个字节的64位浮点数。

这一系列set方法,接受两个参数,第一个参数是字节序号,表示从哪个字节开始写入,第二个参数为写入的数据。对于那些写入两个或两个以上字节的方法,需要指定第三个参数,false或者undefined表示使用大端字节序写入,true表示使用小端字节序写入。

// 在第1个字节,以大端字节序写入值为25的32位整数
dv.setInt32(0, 25, false);

// 在第5个字节,以大端字节序写入值为25的32位整数
dv.setInt32(4, 25);

// 在第9个字节,以小端字节序写入值为2.5的32位浮点数
dv.setFloat32(8, 2.5, true);

如果不确定正在使用的计算机的字节序,可以采用下面的判断方式。

var littleEndian = (function() {
  var buffer = new ArrayBuffer(2);
  new DataView(buffer).setInt16(0, 256, true);
  return new Int16Array(buffer)[0] === 256;
})();

如果返回true,就是小端字节序;如果返回false,就是大端字节序。

二进制数组的应用

大量的Web API用到了ArrayBuffer对象和它的视图对象。

AJAX

传统上,服务器通过AJAX操作只能返回文本数据,即responseType属性默认为textXMLHttpRequest第二版XHR2允许服务器返回二进制数据,这时分成两种情况。如果明确知道返回的二进制数据类型,可以把返回类型(responseType)设为arraybuffer;如果不知道,就设为blob

var xhr = new XMLHttpRequest();
xhr.open('GET', someUrl);
xhr.responseType = 'arraybuffer';

xhr.onload = function () {
  let arrayBuffer = xhr.response;
  // ···
};

xhr.send();

如果知道传回来的是32位整数,可以像下面这样处理。

xhr.onreadystatechange = function () {
  if (req.readyState === 4 ) {
    var arrayResponse = xhr.response;
    var dataView = new DataView(arrayResponse);
    var ints = new Uint32Array(dataView.byteLength / 4);

    xhrDiv.style.backgroundColor = "#00FF00";
    xhrDiv.innerText = "Array is " + ints.length + "uints long";
  }
}

Canvas

网页Canvas元素输出的二进制像素数据,就是TypedArray数组。

var canvas = document.getElementById('myCanvas');
var ctx = canvas.getContext('2d');

var imageData = ctx.getImageData(0, 0, canvas.width, canvas.height);
var uint8ClampedArray = imageData.data;

需要注意的是,上面代码的uint8ClampedArray虽然是一个TypedArray数组,但是它的视图类型是一种针对Canvas元素的专有类型Uint8ClampedArray。这个视图类型的特点,就是专门针对颜色,把每个字节解读为无符号的8位整数,即只能取值0~255,而且发生运算的时候自动过滤高位溢出。这为图像处理带来了巨大的方便。

举例来说,如果把像素的颜色值设为Uint8Array类型,那么乘以一个gamma值的时候,就必须这样计算:

u8[i] = Math.min(255, Math.max(0, u8[i] * gamma));

因为Uint8Array类型对于大于255的运算结果(比如0xFF+1),会自动变为0x00,所以图像处理必须要像上面这样算。这样做很麻烦,而且影响性能。如果将颜色值设为Uint8ClampedArray类型,计算就简化许多。

pixels[i] *= gamma;

Uint8ClampedArray类型确保将小于0的值设为0,将大于255的值设为255。注意,IE 10不支持该类型。

WebSocket

WebSocket可以通过ArrayBuffer,发送或接收二进制数据。

var socket = new WebSocket('ws://127.0.0.1:8081');
socket.binaryType = 'arraybuffer';

// Wait until socket is open
socket.addEventListener('open', function (event) {
  // Send binary data
  var typedArray = new Uint8Array(4);
  socket.send(typedArray.buffer);
});

// Receive binary data
socket.addEventListener('message', function (event) {
  var arrayBuffer = event.data;
  // ···
});

Fetch API

Fetch API取回的数据,就是ArrayBuffer对象。

fetch(url)
.then(function(request){
  return request.arrayBuffer()
})
.then(function(arrayBuffer){
  // ...
});

File API

如果知道一个文件的二进制数据类型,也可以将这个文件读取为ArrayBuffer对象。

var fileInput = document.getElementById('fileInput');
var file = fileInput.files[0];
var reader = new FileReader();
reader.readAsArrayBuffer(file);
reader.onload = function () {
  var arrayBuffer = reader.result;
  // ···
};

下面以处理bmp文件为例。假定file变量是一个指向bmp文件的文件对象,首先读取文件。

var reader = new FileReader();
reader.addEventListener("load", processimage, false);
reader.readAsArrayBuffer(file);

然后,定义处理图像的回调函数:先在二进制数据之上建立一个DataView视图,再建立一个bitmap对象,用于存放处理后的数据,最后将图像展示在Canvas元素之中。

function processimage(e) {
  var buffer = e.target.result;
  var datav = new DataView(buffer);
  var bitmap = {};
  // 具体的处理步骤
}

具体处理图像数据时,先处理bmp的文件头。具体每个文件头的格式和定义,请参阅有关资料。

bitmap.fileheader = {};
bitmap.fileheader.bfType = datav.getUint16(0, true);
bitmap.fileheader.bfSize = datav.getUint32(2, true);
bitmap.fileheader.bfReserved1 = datav.getUint16(6, true);
bitmap.fileheader.bfReserved2 = datav.getUint16(8, true);
bitmap.fileheader.bfOffBits = datav.getUint32(10, true);

接着处理图像元信息部分。

bitmap.infoheader = {};
bitmap.infoheader.biSize = datav.getUint32(14, true);
bitmap.infoheader.biWidth = datav.getUint32(18, true);
bitmap.infoheader.biHeight = datav.getUint32(22, true);
bitmap.infoheader.biPlanes = datav.getUint16(26, true);
bitmap.infoheader.biBitCount = datav.getUint16(28, true);
bitmap.infoheader.biCompression = datav.getUint32(30, true);
bitmap.infoheader.biSizeImage = datav.getUint32(34, true);
bitmap.infoheader.biXPelsPerMeter = datav.getUint32(38, true);
bitmap.infoheader.biYPelsPerMeter = datav.getUint32(42, true);
bitmap.infoheader.biClrUsed = datav.getUint32(46, true);
bitmap.infoheader.biClrImportant = datav.getUint32(50, true);

最后处理图像本身的像素信息。

var start = bitmap.fileheader.bfOffBits;
bitmap.pixels = new Uint8Array(buffer, start);

至此,图像文件的数据全部处理完成。下一步,可以根据需要,进行图像变形,或者转换格式,或者展示在Canvas网页元素之中。

SharedArrayBuffer

JavaScript 是单线程的,web worker 引入了多进程,每个进程的数据都是隔离的,通过postMessage()通信,即通信的数据是复制的。如果数据量比较大,这种通信的效率显然比较低。

var w = new Worker('myworker.js');

上面代码中,主进程新建了一个 Worker 进程。该进程与主进程之间会有一个通信渠道,主进程通过w.postMessage向 Worker 进程发消息,同时通过message事件监听 Worker 进程的回应。

w.postMessage('hi');
w.onmessage = function (ev) {
  console.log(ev.data);
}

上面代码中,主进程先发一个消息hi,然后在监听到 Worker 进程的回应后,就将其打印出来。

Worker 进程也是通过监听message事件,来获取主进程发来的消息,并作出反应。

onmessage = function (ev) {
  console.log(ev.data);
  postMessage('ho');
}

主进程与 Worker 进程之间,可以传送各种数据,不仅仅是字符串,还可以传送二进制数据。很容易想到,如果有大量数据要传送,留出一块内存区域,主进程与 Worker 进程共享,两方都可以读写,那么就会大大提高效率。

ES2017 引入SharedArrayBuffer,允许多个 Worker 进程与主进程共享内存数据。SharedArrayBuffer的 API 与ArrayBuffer一模一样,唯一的区别是后者无法共享。

// 新建 1KB 共享内存
var sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(1024);

// 主窗口发送数据
w.postMessage(sharedBuffer);

// 本地写入数据
const sharedArray = new Int32Array(sharedBuffer);

上面代码中,postMessage方法的参数是SharedArrayBuffer对象。

Worker 进程从事件的data属性上面取到数据。

var sharedBuffer;
onmessage = function (ev) {
   sharedBuffer = ev.data;  // 1KB 的共享内存,就是主窗口共享出来的那块内存
};

共享内存也可以在 Worker 进程创建,发给主进程。

SharedArrayBufferSharedArray一样,本身是无法读写,必须在上面建立视图,然后通过视图读写。

// 分配 10 万个 32 位整数占据的内存空间
var sab = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT * 100000);

// 建立 32 位整数视图
var ia = new Int32Array(sab);  // ia.length == 100000

// 新建一个质数生成器
var primes = new PrimeGenerator();

// 将 10 万个质数,写入这段内存空间
for ( let i=0 ; i < ia.length ; i++ )
  ia[i] = primes.next();

// 向 Worker 进程发送这段共享内存
w.postMessage(ia);

Worker 进程收到数据后的处理如下。

var ia;
onmessage = function (ev) {
  ia = ev.data;
  console.log(ia.length); // 100000
  console.log(ia[37]); // 输出 163,因为这是第138个质数
};

多个进程共享内存,最大的问题就是如何防止两个进程同时修改某个地址,或者说,当一个进程修改共享内存以后,必须有一个机制让其他进程同步。SharedArrayBuffer API 提供Atomics对象,保证所有共享内存的操作都是“原子性”的,并且可以在所有进程内同步。

// 主进程
var sab = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT * 100000);
var ia = new Int32Array(sab);

for (let i = 0; i < ia.length; i++) {
  ia[i] = primes.next(); // 将质数放入 ia
}

// worker 进程
ia[112]++; // 错误
Atomics.add(ia, 112, 1); // 正确

上面代码中,Worker 进程直接改写共享内存是不正确的。有两个原因,一是可能发生两个进程同时改写该地址,二是改写以后无法同步到其他 Worker 进程。所以,必须使用Atomics.add()方法进行改写。

下面是另一个例子。

// 进程一
console.log(ia[37]);  // 163
Atomics.store(ia, 37, 123456);
Atomics.wake(ia, 37, 1);

// 进程二
Atomics.wait(ia, 37, 163);
console.log(ia[37]);  // 123456

上面代码中,共享内存ia的第37号位置,原来的值是163。进程二使用Atomics.wait()方法,指定只要ia[37]等于163,就处于“等待”状态。进程一使用Atomics.store()方法,将123456放入ia[37],然后使用Atomics.wake()方法将监视ia[37]的一个进程唤醒。

Atomics对象有以下方法。

  • Atomics.load(array, index):返回array[index]的值。
  • Atomics.store(array, index, value):设置array[index]的值,返回这个值。
  • Atomics.compareExchange(array, index, oldval, newval):如果array[index]等于oldval,就写入newval,返回oldval
  • Atomics.exchange(array, index, value):设置array[index]的值,返回旧的值。
  • Atomics.add(array, index, value):将value加到array[index],返回array[index]旧的值。
  • Atomics.sub(array, index, value):将valuearray[index]减去,返回array[index]旧的值。
  • Atomics.and(array, index, value):将valuearray[index]进行位运算and,放入array[index],并返回旧的值。
  • Atomics.or(array, index, value):将valuearray[index]进行位运算or,放入array[index],并返回旧的值。
  • Atomics.xor(array, index, value):将vaulearray[index]进行位运算xor,放入array[index],并返回旧的值。
  • Atomics.wait(array, index, value, timeout):如果array[index]等于value,进程就进入休眠状态,必须通过Atomics.wake()唤醒。timeout指定多少毫秒之后,进入休眠。返回值是三个字符串(ok、not-equal、timed-out)中的一个。
  • Atomics.wake(array, index, count):唤醒指定数目在某个位置休眠的进程。
  • Atomics.isLockFree(size):返回一个布尔值,表示Atomics对象是否可以处理某个size的内存锁定。如果返回false,应用程序就需要自己来实现锁定。

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