ES6之 二进制数组

Georgia ·
更新时间:2024-11-13
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ES6之 二进制数组

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, 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。

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。

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。

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:v1、v2和v3。

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,v1、v2和v3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()

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,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00000000。uint8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11111111。uint8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 。

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,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,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。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 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,DataView的get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text。XMLHttpRequest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。

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。


作者:builder2991



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