JavaScript ArrayBuffer：類型化數(shù)組

類型化數(shù)組是JavaScript操作二進制數(shù)據的一個接口。

這要從WebGL項目的誕生說起，所謂WebGL，就是指瀏覽器與顯卡之間的通信接口，為了滿足JavaScript與顯卡之間大量的、實時的數(shù)據交換，它們之間的數(shù)據通信必須是二進制的，而不能是傳統(tǒng)的文本格式。

比如，以文本格式傳遞一個32位整數(shù)，兩端的JavaScript腳本與顯卡都要進行格式轉化，將非常耗時。這時要是存在一種機制，可以像C語言那樣，直接操作字節(jié)，然后將4個字節(jié)的32位整數(shù)，以二進制形式原封不動地送入顯卡，腳本的性能就會大幅提升。

類型化數(shù)組（Typed Array）就是在這種背景下誕生的。它很像C語言的數(shù)組，允許開發(fā)者以數(shù)組下標的形式，直接操作內存。有了類型化數(shù)組以后，JavaScript的二進制數(shù)據處理功能增強了很多，接口之間完全可以用二進制數(shù)據通信。

分配內存

類型化數(shù)組是建立在ArrayBuffer對象的基礎上的。它的作用是，分配一段可以存放數(shù)據的連續(xù)內存區(qū)域。

var buf = new ArrayBuffer(32);

上面代碼生成了一段32字節(jié)的內存區(qū)域。

ArrayBuffer對象的byteLength屬性，返回所分配的內存區(qū)域的字節(jié)長度。

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

如果要分配的內存區(qū)域很大，有可能分配失敗（因為沒有那么多的連續(xù)空余內存），所以有必要檢查是否分配成功。

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

ArrayBuffer對象有一個slice方法，允許將內存區(qū)域的一部分，拷貝生成一個新的ArrayBuffer對象。

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

上面代碼拷貝buffer對象的前3個字節(jié)，生成一個新的ArrayBuffer對象。slice方法其實包含兩步，第一步是先分配一段新內存，第二步是將原來那個ArrayBuffer對象拷貝過去。

slice方法接受兩個參數(shù)，第一個參數(shù)表示拷貝開始的字節(jié)序號，第二個參數(shù)表示拷貝截止的字節(jié)序號。如果省略第二個參數(shù)，則默認到原ArrayBuffer對象的結尾。

除了slice方法，ArrayBuffer對象不提供任何直接讀寫內存的方法，只允許在其上方建立視圖，然后通過視圖讀寫。

視圖

視圖的生成

ArrayBuffer作為內存區(qū)域，可以存放多種類型的數(shù)據。不同數(shù)據有不同的存儲方式，這就叫做“視圖”。目前，JavaScript提供以下類型的視圖：

• Int8Array：8位有符號整數(shù)，長度1個字節(jié)。
• Uint8Array：8位無符號整數(shù)，長度1個字節(jié)。
• Int16Array：16位有符號整數(shù)，長度2個字節(jié)。
• Uint16Array：16位無符號整數(shù)，長度2個字節(jié)。
• Int32Array：32位有符號整數(shù)，長度4個字節(jié)。
• Uint32Array：32位無符號整數(shù)，長度4個字節(jié)。
• Float32Array：32位浮點數(shù)，長度4個字節(jié)。
• Float64Array：64位浮點數(shù)，長度8個字節(jié)。

每一種視圖都有一個BYTES_PER_ELEMENT常數(shù)，表示這種數(shù)據類型占據的字節(jié)數(shù)。

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

每一種視圖都是一個構造函數(shù)，有多種方法可以生成：

（1）在ArrayBuffer對象之上生成視圖。

同一個ArrayBuffer對象之上，可以根據不同的數(shù)據類型，建立多個視圖。

// 創(chuàng)建一個8字節(jié)的ArrayBuffer
var b = new ArrayBuffer(8);

// 創(chuàng)建一個指向b的Int32視圖，開始于字節(jié)0，直到緩沖區(qū)的末尾
var v1 = new Int32Array(b);

// 創(chuàng)建一個指向b的Uint8視圖，開始于字節(jié)2，直到緩沖區(qū)的末尾
var v2 = new Uint8Array(b, 2);

// 創(chuàng)建一個指向b的Int16視圖，開始于字節(jié)2，長度為2
var v3 = new Int16Array(b, 2, 2);

上面代碼在一段長度為8個字節(jié)的內存（b）之上，生成了三個視圖：v1、v2和v3。視圖的構造函數(shù)可以接受三個參數(shù)：

• 第一個參數(shù)：視圖對應的底層ArrayBuffer對象，該參數(shù)是必需的。
• 第二個參數(shù)：視圖開始的字節(jié)序號，默認從0開始。
• 第三個參數(shù)：視圖包含的數(shù)據個數(shù)，默認直到本段內存區(qū)域結束。

因此，v1、v2和v3是重疊：v1[0]是一個32位整數(shù)，指向字節(jié)0～字節(jié)3；v2[0]是一個8位無符號整數(shù)，指向字節(jié)2；v3[0]是一個16位整數(shù)，指向字節(jié)2～字節(jié)3。只要任何一個視圖對內存有所修改，就會在另外兩個視圖上反應出來。

（2）直接生成。

視圖還可以不通過ArrayBuffer對象，直接分配內存而生成。

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

上面代碼生成一個8個成員的Float64Array數(shù)組（共64字節(jié)），然后依次對每個成員賦值。這時，視圖構造函數(shù)的參數(shù)就是成員的個數(shù)。可以看到，視圖數(shù)組的賦值操作與普通數(shù)組的操作毫無兩樣。

（3）將普通數(shù)組轉為視圖數(shù)組。

將一個數(shù)據類型符合要求的普通數(shù)組，傳入構造函數(shù)，也能直接生成視圖。

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

上面代碼將一個普通的數(shù)組，賦值給一個新生成的8位無符號整數(shù)的視圖數(shù)組。

視圖數(shù)組也可以轉換回普通數(shù)組。

var normalArray = Array.apply( [], typedArray );

視圖的操作

建立了視圖以后，就可以進行各種操作了。這里需要明確的是，視圖其實就是普通數(shù)組，語法完全沒有什么不同，只不過它直接針對內存進行操作，而且每個成員都有確定的數(shù)據類型。所以，視圖就被叫做“類型化數(shù)組”。

（1）數(shù)組操作

普通數(shù)組的操作方法和屬性，對類型化數(shù)組完全適用。

var buffer = new ArrayBuffer(16);

var int32View = new Int32Array(buffer);

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

上面代碼生成一個16字節(jié)的ArrayBuffer對象，然后在它的基礎上，建立了一個32位整數(shù)的視圖。由于每個32位整數(shù)占據4個字節(jié)，所以一共可以寫入4個整數(shù)，依次為0，2，4，6。

如果在這段數(shù)據上接著建立一個16位整數(shù)的視圖，則可以讀出完全不一樣的結果。

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

由于每個16位整數(shù)占據2個字節(jié)，所以整個ArrayBuffer對象現(xiàn)在分成8段。然后，由于x86體系的計算機都采用小端字節(jié)序（little endian），相對重要的字節(jié)排在后面的內存地址，相對不重要字節(jié)排在前面的內存地址，所以就得到了上面的結果。

比如，一個占據四個字節(jié)的16進制數(shù)0x12345678，決定其大小的最重要的字節(jié)是“12”，最不重要的是“78”。小端字節(jié)序將最不重要的字節(jié)排在前面，儲存順序就是78563412；大端字節(jié)序則完全相反，將最重要的字節(jié)排在前面，儲存順序就是12345678。目前，所有個人電腦幾乎都是小端字節(jié)序，所以類型化數(shù)組內部也采用小端字節(jié)序讀寫數(shù)據，或者更準確的說，按照本機操作系統(tǒng)設定的字節(jié)序讀寫數(shù)據。

這并不意味大端字節(jié)序不重要，事實上，很多網絡設備和特定的操作系統(tǒng)采用的是大端字節(jié)序。這就帶來一個嚴重的問題：如果一段數(shù)據是大端字節(jié)序，類型化數(shù)組將無法正確解析，因為它只能處理小端字節(jié)序！為了解決這個問題，JavaScript引入DataView對象，可以設定字節(jié)序，下文會詳細介紹。

下面是另一個例子。

// 假定某段buffer包含如下字節(jié) [0x02, 0x01, 0x03, 0x07]
// 計算機采用小端字節(jié)序
var uInt16View = new Uint16Array(buffer);

// 比較運算 
if (bufView[0]===258) {
     console.log("ok");
}

// 賦值運算
uInt16View[0] = 255;    // 字節(jié)變?yōu)閇0xFF, 0x00, 0x03, 0x07]
uInt16View[0] = 0xff05; // 字節(jié)變?yōu)閇0x05, 0xFF, 0x03, 0x07]
uInt16View[1] = 0x0210; // 字節(jié)變?yōu)閇0x05, 0xFF, 0x10, 0x02]

總之，與普通數(shù)組相比，類型化數(shù)組的最大優(yōu)點就是可以直接操作內存，不需要數(shù)據類型轉換，所以速度快得多。

（2）buffer屬性

類型化數(shù)組的buffer屬性，返回整段內存區(qū)域對應的ArrayBuffer對象。該屬性為只讀屬性。

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

上面代碼的a對象和b對象，對應同一個ArrayBuffer對象，即同一段內存。

（3）byteLength屬性和byteOffset屬性

byteLength屬性返回類型化數(shù)組占據的內存長度，單位為字節(jié)。byteOffset屬性返回類型化數(shù)組從底層ArrayBuffer對象的哪個字節(jié)開始。這兩個屬性都是只讀屬性。

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

注意將byteLength屬性和length屬性區(qū)分，前者是字節(jié)長度，后者是成員長度。

var a = new Int16Array(8);

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

（4）set方法

類型化數(shù)組的set方法用于復制數(shù)組，也就是將一段內容完全復制到另一段內存。

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

b.set(a);

上面代碼復制a數(shù)組的內容到b數(shù)組，它是整段內存的復制，比一個個拷貝成員的那種復制快得多。set方法還可以接受第二個參數(shù)，表示從b對象哪一個成員開始復制a對象。

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

b.set(a,2)

上面代碼的b數(shù)組比a數(shù)組多兩個成員，所以從b[2]開始復制。

（5）subarray方法

subarray方法是對于類型化數(shù)組的一部分，再建立一個新的視圖。

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

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

subarray方法的第一個參數(shù)是起始的成員序號，第二個參數(shù)是結束的成員序號（不含該成員），如果省略則包含剩余的全部成員。所以，上面代碼的a.subarray(2,3)，意味著b只包含a[2]一個成員，字節(jié)長度為2。

（6）ArrayBuffer與字符串的互相轉換

ArrayBuffer轉為字符串，或者字符串轉為ArrayBuffer，有一個前提，即字符串的編碼方法是確定的。假定字符串采用UTF-16編碼（JavaScript的內部編碼方式），可以自己編寫轉換函數(shù)。

// ArrayBuffer轉為字符串，參數(shù)為ArrayBuffer對象
function ab2str(buf) {
   return String.fromCharCode.apply(null, new Uint16Array(buf));
}

// 字符串轉為ArrayBuffer對象，參數(shù)為字符串
function str2ab(str) {
    var buf = new ArrayBuffer(str.length*2); // 每個字符占用2個字節(jié)
    var bufView = new Uint16Array(buf);
    for (var i=0, strLen=str.length; i<strLen; i++) {
         bufView[i] = str.charCodeAt(i);
    }
    return buf;
}

復合視圖

由于視圖的構造函數(shù)可以指定起始位置和長度，所以在同一段內存之中，可以依次存放不同類型的數(shù)據，這叫做“復合視圖”。

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);

上面代碼將一個24字節(jié)長度的ArrayBuffer對象，分成三個部分：

• 字節(jié)0到字節(jié)3：1個32位無符號整數(shù)
• 字節(jié)4到字節(jié)19：16個8位整數(shù)
• 字節(jié)20到字節(jié)23：1個32位浮點數(shù)

這種數(shù)據結構可以用如下的C語言描述：

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

DataView視圖

如果一段數(shù)據包括多種類型（比如服務器傳來的HTTP數(shù)據），這時除了建立ArrayBuffer對象的復合視圖以外，還可以通過DataView視圖進行操作。

DataView視圖提供更多操作選項，而且支持設定字節(jié)序。本來，在設計目的上，ArrayBuffer對象的各種類型化視圖，是用來向網卡、聲卡之類的本機設備傳送數(shù)據，所以使用本機的字節(jié)序就可以了；而DataView的設計目的，是用來處理網絡設備傳來的數(shù)據，所以大端字節(jié)序或小端字節(jié)序是可以自行設定的。

DataView本身也是構造函數(shù)，接受一個ArrayBuffer對象作為參數(shù)，生成視圖。

DataView(ArrayBuffer buffer [, 字節(jié)起始位置 [, 長度]]);

下面是一個實例。

var buffer = new ArrayBuffer(24);

var dv = new DataView(buffer);

DataView視圖提供以下方法讀取內存：

• getInt8：讀取1個字節(jié)，返回一個8位整數(shù)。
• getUint8：讀取1個字節(jié)，返回一個無符號的8位整數(shù)。
• getInt16：讀取2個字節(jié)，返回一個16位整數(shù)。
• getUint16：讀取2個字節(jié)，返回一個無符號的16位整數(shù)。
• getInt32：讀取4個字節(jié)，返回一個32位整數(shù)。
• getUint32：讀取4個字節(jié)，返回一個無符號的32位整數(shù)。
• getFloat32：讀取4個字節(jié)，返回一個32位浮點數(shù)。
• getFloat64：讀取8個字節(jié)，返回一個64位浮點數(shù)。

這一系列get方法的參數(shù)都是一個字節(jié)序號，表示從哪個字節(jié)開始讀取。

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

// 從第1個字節(jié)讀取一個8位無符號整數(shù)
var v1 = dv.getUint8(0);

// 從第2個字節(jié)讀取一個16位無符號整數(shù)
var v2 = dv.getUint16(1); 

// 從第4個字節(jié)讀取一個16位無符號整數(shù)
var v3 = dv.getUint16(3);

上面代碼讀取了ArrayBuffer對象的前5個字節(jié)，其中有一個8位整數(shù)和兩個十六位整數(shù)。

如果一次讀取兩個或兩個以上字節(jié)，就必須明確數(shù)據的存儲方式，到底是小端字節(jié)序還是大端字節(jié)序。默認情況下，DataView的get方法使用大端字節(jié)序解讀數(shù)據，如果需要使用小端字節(jié)序解讀，必須在get方法的第二個參數(shù)指定true。

// 小端字節(jié)序
var v1 = dv.getUint16(1, true);

// 大端字節(jié)序
var v2 = dv.getUint16(3, false);

// 大端字節(jié)序
var v3 = dv.getUint16(3);

DataView視圖提供以下方法寫入內存：

• setInt8：寫入1個字節(jié)的8位整數(shù)。
• setUint8：寫入1個字節(jié)的8位無符號整數(shù)。
• setInt16：寫入2個字節(jié)的16位整數(shù)。
• setUint16：寫入2個字節(jié)的16位無符號整數(shù)。
• setInt32：寫入4個字節(jié)的32位整數(shù)。
• setUint32：寫入4個字節(jié)的32位無符號整數(shù)。
• setFloat32：寫入4個字節(jié)的32位浮點數(shù)。
• setFloat64：寫入8個字節(jié)的64位浮點數(shù)。

這一系列set方法，接受兩個參數(shù)，第一個參數(shù)是字節(jié)序號，表示從哪個字節(jié)開始寫入，第二個參數(shù)為寫入的數(shù)據。對于那些寫入兩個或兩個以上字節(jié)的方法，需要指定第三個參數(shù)，false或者undefined表示使用大端字節(jié)序寫入，true表示使用小端字節(jié)序寫入。

// 在第1個字節(jié)，以大端字節(jié)序寫入值為25的32位整數(shù)
dv.setInt32(0, 25, false); 

// 在第5個字節(jié)，以大端字節(jié)序寫入值為25的32位整數(shù)
dv.setInt32(4, 25); 

// 在第9個字節(jié)，以小端字節(jié)序寫入值為2.5的32位浮點數(shù)
dv.setFloat32(8, 2.5, true);

如果不確定正在使用的計算機的字節(jié)序，可以采用下面的判斷方式。

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，就是小端字節(jié)序；如果返回false，就是大端字節(jié)序。

應用

Ajax

傳統(tǒng)上，服務器通過Ajax操作只能返回文本數(shù)據。XMLHttpRequest 第二版允許服務器返回二進制數(shù)據，這時分成兩種情況。如果明確知道返回的二進制數(shù)據類型，可以把返回類型（responseType）設為arraybuffer；如果不知道，就設為blob。

xhr.responseType = 'arraybuffer';

如果知道傳回來的是32位整數(shù)，可以像下面這樣處理。

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

網頁Canvas元素輸出的二進制像素數(shù)據，就是類型化數(shù)組。

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

var imageData = ctx.getImageData(0,0, 200, 100);
var typedArray = imageData.data;

需要注意的是，上面代碼的typedArray雖然是一個類型化數(shù)組，但是它的視圖類型是一種針對Canvas元素的專有類型Uint8ClampedArray。這個視圖類型的特點，就是專門針對顏色，把每個字節(jié)解讀為無符號的8位整數(shù)，即只能取值0～255，而且發(fā)生運算的時候自動過濾高位溢出。這為圖像處理帶來了巨大的方便。

舉例來說，如果把像素的顏色值設為Uint8Array類型，那么乘以一個gamma值的時候，就必須這樣計算：

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

因為Uint8Array類型對于大于255的運算結果（比如0xFF+1），會自動變?yōu)?x00，所以圖像處理必須要像上面這樣算。這樣做很麻煩，而且影響性能。如果將顏色值設為Uint8ClampedArray類型，計算就簡化許多。

pixels[i] *= gamma;

Uint8ClampedArray類型確保將小于0的值設為0，將大于255的值設為255。注意，IE 10不支持該類型。

File

如果知道一個文件的二進制數(shù)據類型，也可以將這個文件讀取為類型化數(shù)組。

reader.readAsArrayBuffer(file);

下面以處理bmp文件為例。假定file變量是一個指向bmp文件的文件對象，首先讀取文件。

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

然后，定義處理圖像的回調函數(shù)：先在二進制數(shù)據之上建立一個DataView視圖，再建立一個bitmap對象，用于存放處理后的數(shù)據，最后將圖像展示在canvas元素之中。

function processimage(e) { 
 var buffer = e.target.result; 
 var datav = new DataView(buffer); 
 var bitmap = {};
 // 具體的處理步驟
}

具體處理圖像數(shù)據時，先處理bmp的文件頭。具體每個文件頭的格式和定義，請參閱有關資料。

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);

接著處理圖像元信息部分。

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);

最后處理圖像本身的像素信息。

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

至此，圖像文件的數(shù)據全部處理完成。下一步，可以根據需要，進行圖像變形，或者轉換格式，或者展示在Canvas網頁元素之中。

參考鏈接

• Ilmari Heikkinen, Typed Arrays: Binary Data in the Browser
• Khronos, Typed Array Specification

• Ian Elliot, Reading A BMP File In JavaScript

• Renato Mangini, How to convert ArrayBuffer to and from String