[轉] JavaScript 之 ArrayBuffer

JS裏的ArrayBuffer

還記得某個晚上在作 canvas 像素級操做，發現存儲像素的數據格式並非Array類型，而是ArrayBuffer，心想這是什麼鬼？後來查了一些資料，發現本身這半年來的JS是白學了，居然才知道還有這麼個東東。

首先，這個 ArrayBuffer 類型化數組，類型化數組是JavaScript操做二進制數據的一個接口。最初爲了知足JavaScript與顯卡之間大量的、實時的數據交換，它們之間的數據通訊必須是二進制的，而不能是傳統的文本格式的背景下誕生的。

分配內存

類型化數組是創建在ArrayBuffer對象的基礎上的。它的做用是，分配一段能夠存放數據的連續內存區域。

var bf = new ArrayBuffer(40); // 生成了字節長度爲40的內存區域 //經過提供的 byteLength 屬性返回分配字節的長度 console.log(bf.byteLength); // 40 /* 值得注意的是若是要分配的內存區域很大，有可能分配失敗（由於沒有那麼多的連續空餘內存），因此有必要檢查是否分配成功。 */

ArrayBuffer對象有一個slice方法，容許將內存區域的一部分，拷貝生成一個新的ArrayBuffer對象。

const bf = new ArrayBuffer(40); const newBf = bf.slice(0, 10); // 從0 - 9 不包括 10

• 上面代碼拷貝buffer對象的前10個字節，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，第一個參數表示拷貝開始的字節序號，第二個參數表示拷貝截止的字節序號。若是省略第二個參數，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，只容許在其上方創建視圖，而後經過視圖讀寫。

視圖的生成

ArrayBuffer做爲內存區域，能夠存放多種類型的數據。不一樣數據有不一樣的存儲方式，這就叫作「視圖」。目前，JavaScript提供如下類型的視圖：

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

每一種視圖都有一個BYTES_PER_ELEMENT常數，表示這種數據類型佔據的字節數。

Int8Array.BYTES_PER_ELEMENT // 1 Uint8Array.BYTES_PER_ELEMENT // 1 //...

每一種視圖都是一個構造函數，有多種方法能夠生成：

// 瀏覽器控制檯輸出： > Int32Array > function Int32Array() { [native code] }

01 在ArrayBuffer對象之上生成視圖

同一個ArrayBuffer對象之上，能夠根據不一樣的數據類型，創建多個視圖。

// 建立一個8字節的ArrayBuffer var b = new ArrayBuffer(8); // 建立一個指向b的Int32視圖，開始於字節0，直到緩衝區的末尾 var v1 = new Int32Array(b); // 建立一個指向b的Uint8視圖，開始於字節2，直到緩衝區的末尾 var v2 = new Uint8Array(b, 2); // 建立一個指向b的Int16視圖，開始於字節2，長度爲2 var v3 = new Int16Array(b, 2, 2);

上面代碼在一段長度爲8個字節的內存（b）之上，生成了三個視圖：v一、v2和v3。視圖的構造函數能夠接受三個參數：

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

值得注意的是：v一、v2和v3是重疊：v1[0]是一個32位整數，指向字節0～字節3；v2[0]是一個8位無符號整數，指向字節2；v3[0]是一個16位整數，指向字節2～字節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。

02 直接生成

視圖還能夠不經過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數組（共64字節），而後依次對每一個成員賦值。這時，視圖構造函數的參數就是成員的個數。能夠看到，視圖數組的賦值操做與普通數組的操做毫無兩樣。

03 將普通數組轉爲視圖數組

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

也能夠將視圖直接轉化爲數組

Array.from(typeArray); // Array.apply([],typeArray);

03 視圖的操做

創建了視圖之後，就能夠進行各類操做了。這裏須要明確的是，視圖其實就是普通數組，語法徹底沒有什麼不一樣，只不過它直接針對內存進行操做，並且每一個成員都有肯定的數據類型。因此，視圖就被叫作「類型化數組」

普通數組的操做方法和屬性，對類型化數組徹底適用。

var buffer = new ArrayBuffer(16); var int32View = new Int32Array(buffer); for (var i=0; i<int32View.length; i++) { int32View[i] = i*2; }

普通數組的操做方法和屬性，對類型化數組徹底適用。

var buffer = new ArrayBuffer(16); var int32View = new Int32Array(buffer); for (var i=0; i<int32View.length; i++) { int32View[i] = i*2; }

04 buffer屬性

類型化數組的buffer屬性，返回整段內存區域對應的ArrayBuffer對象。該屬性爲只讀屬性。

var bf = new Uint8Array([1,2,3,4]); bf.buffer; // ArrayBuffer {}

byteLength屬性和byteOffset屬性

byteLength屬性返回類型化數組佔據的內存長度，單位爲字節。byteOffset屬性返回類型化數組從底層ArrayBuffer對象的哪一個字節開始。這兩個屬性都是隻讀屬性。

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屬性區分，前者是字節長度，後者是成員長度。

05 set方法

類型化數組的set方法用於複製數組，也就是將一段內容徹底複製到另外一段內存。

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

上面代碼複製a數組的內容到b數組，它是整段內存的複製，比一個個拷貝成員的那種複製快得多。set方法還能夠接受第二個參數，表示從b對象哪個成員開始複製a對象。

var a = new Uint16Array(8); var b = new Uint16Array(10); b.set(a,2)

上面代碼的b數組比a數組多兩個成員，因此從b[2]開始複製。

06 subarray方法

subarray方法是對於類型化數組的一部分，再創建一個新的視圖。

var a = new Uint16Array(8); var b = a.subarray(2,3); a.byteLength // 16 b.byteLength // 2

subarray方法的第一個參數是起始的成員序號，第二個參數是結束的成員序號（不含該成員），若是省略則包含剩餘的所有成員。因此，上面代碼的a.subarray(2,3)，意味着b只包含a[2]一個成員，字節長度爲2。

07 ArrayBuffer與字符串的互相轉換

ArrayBuffer轉爲字符串，或者字符串轉爲ArrayBuffer，有一個前提，即字符串的編碼方法是肯定的。假定字符串採用UTF-16編碼（JavaScript的內部編碼方式），能夠本身編寫轉換函數。

// ArrayBuffer轉爲字符串，參數爲ArrayBuffer對象 function ab2str(buf) { return String.fromCharCode.apply(null, new Uint16Array(buf)); } // 字符串轉爲ArrayBuffer對象，參數爲字符串 function str2ab(str) { var buf = new ArrayBuffer(str.length*2); // 每一個字符佔用2個字節 var bufView = new Uint16Array(buf); for (var i=0, strLen=str.length; i<strLen; i++) { bufView[i] = str.charCodeAt(i); } return buf; } 

複合視圖

因爲視圖的構造函數能夠指定起始位置和長度，因此在同一段內存之中，能夠依次存放不一樣類型的數據，這叫作「複合視圖」。

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);

面代碼將一個24字節長度的ArrayBuffer對象，分紅三個部分：

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

DataView視圖

若是一段數據包括多種類型（好比服務器傳來的HTTP數據），這時除了創建ArrayBuffer對象的複合視圖之外，還能夠經過DataView視圖進行操做。

DataView視圖提供更多操做選項，並且支持設定字節序。原本，在設計目的上，ArrayBuffer對象的各類類型化視圖，是用來向網卡、聲卡之類的本機設備傳送數據，因此使用本機的字節序就能夠了；而DataView的設計目的，是用來處理網絡設備傳來的數據，因此大端字節序或小端字節序是能夠自行設定的。

DataView自己也是構造函數，接受一個ArrayBuffer對象做爲參數，生成視圖。

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

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

DataView視圖提供如下方法讀取內存：

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

這一系列get方法的參數都是一個字節序號，表示從哪一個字節開始讀取。

var buffer = new ArrayBuffer(24); var dv = new DataView(buffer); // 從第1個字節讀取一個8位無符號整數 var v1 = dv.getUint8(0); // 從第2個字節讀取一個16位無符號整數 var v2 = dv.getUint16(1); // 從第4個字節讀取一個16位無符號整數 var v3 = dv.getUint16(3);

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

若是一次讀取兩個或兩個以上字節，就必須明確數據的存儲方式，究竟是小端字節序仍是大端字節序。默認狀況下，DataView的get方法使用大端字節序解讀數據，若是須要使用小端字節序解讀，必須在get方法的第二個參數指定true。

// 小端字節序 var v1 = dv.getUint16(1, true); // 大端字節序 var v2 = dv.getUint16(3, false); // 大端字節序 var v3 = dv.getUint16(3);

DataView視圖提供如下方法寫入內存：

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

這一系列set方法，接受兩個參數，第一個參數是字節序號，表示從哪一個字節開始寫入，第二個參數爲寫入的數據。對於那些寫入兩個或兩個以上字節的方法，須要指定第三個參數，false或者undefined表示使用大端字節序寫入，true表示使用小端字節序寫入。

// 在第1個字節，以大端字節序寫入值爲25的32位整數 dv.setInt32(0, 25, false); // 在第5個字節，以大端字節序寫入值爲25的32位整數 dv.setInt32(4, 25); // 在第9個字節，以小端字節序寫入值爲2.5的32位浮點數 dv.setFloat32(8, 2.5, true); 

若是不肯定正在使用的計算機的字節序，能夠採用下面的判斷方式。

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

若是返回true，就是小端字節序；若是返回false，就是大端字節序。

應用

Ajax
傳統上，服務器經過Ajax操做只能返回文本數據。XMLHttpRequest 第二版容許服務器返回二進制數據，這時分紅兩種狀況。若是明確知道返回的二進制數據類型，能夠把返回類型（responseType）設爲arraybuffer；若是不知道，就設爲blob。

xhr.responseType = 'arraybuffer';

若是知道傳回來的是32位整數，能夠像下面這樣處理。

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據，就是類型化數組。

var canvas = document.getElementById('myCanvas'); var ctx = canvas.getContext('2d'); var imageData = ctx.getImageData(0,0, 200, 100); var typedArray = imageData.data;

須要注意的是，上面代碼的typedArray雖然是一個類型化數組，可是它的視圖類型是一種針對Canvas元素的專有類型Uint8ClampedArray。這個視圖類型的特色，就是專門針對顏色，把每一個字節解讀爲無符號的8位整數，即只能取值0～255，並且發生運算的時候自動過濾高位溢出。這爲圖像處理帶來了巨大的方便。

舉例來講，若是把像素的顏色值設爲Uint8Array類型，那麼乘以一個gamma值的時候，就必須這樣計算：

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

由於Uint8Array類型對於大於255的運算結果（好比0xFF+1），會自動變爲0x00，因此圖像處理必需要像上面這樣算。這樣作很麻煩，並且影響性能。若是將顏色值設爲Uint8ClampedArray類型，計算就簡化許多。

pixels[i] *= gamma;

Uint8ClampedArray類型確保將小於0的值設爲0，將大於255的值設爲255。注意，IE 10不支持該類型。

File
若是知道一個文件的二進制數據類型，也能夠將這個文件讀取爲類型化數組。

reader.readAsArrayBuffer(file);

下面以處理bmp文件爲例。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);

而後，定義處理圖像的回調函數：先在二進制數據之上創建一個DataView視圖，再創建一個bitmap對象，用於存放處理後的數據，最後將圖像展現在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 }

具體處理圖像數據時，先處理bmp的文件頭。具體每一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);

接着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);

最後處理圖像自己的像素信息。

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

至此，圖像文件的數據所有處理完成。下一步，能夠根據須要，進行圖像變形，或者轉換格式，或者展現在Canvas網頁元素之中。