ArrayBuffer：類型化數組

來自《JavaScript 標準參考教程（alpha）》，by 阮一峯

比如，以文本格式傳遞一個32位整數，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，然後將4個字節的32位整數，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。

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

分配內存

類型化數組是建立在ArrayBuffer對象的基礎上的。它的作用是，分配一段可以存放數據的連續內存區域。

var buf = new ArrayBuffer(32);

上面代碼生成了一段32字節的內存區域。

ArrayBuffer對象的byteLength屬性，返回所分配的內存區域的字節長度。

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

如果要分配的內存區域很大，有可能分配失敗（因爲沒有那麼多的連續空餘內存），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，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。如果省略第二個參數，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，只允許在其上方建立視圖，然後通過視圖讀寫。

視圖

視圖的生成

ArrayBuffer作爲內存區域，可以存放多種類型的數據。不同數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，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
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，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，可以根據不同的數據類型，建立多個視圖。

// 創建一個8字節的ArrayBuffer
var b = new ArrayBuffer(8);

// 創建一個指向b的Int32視圖，開始於字節0，直到緩衝區的末尾
var v1 = new Int32Array(b);

// 創建一個指向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);

// 創建一個指向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：v1、v2和v3。視圖的構造函數可以接受三個參數：

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。

因此，v1、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。

（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數組（共64字節），然後依次對每個成員賦值。這時，視圖構造函數的參數就是成員的個數。可以看到，視圖數組的賦值操作與普通數組的操作毫無兩樣。

（3）將普通數組轉爲視圖數組。

將一個數據類型符合要求的普通數組，傳入構造函數，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組，賦值給一個新生成的8位無符號整數的視圖數組。

視圖數組也可以轉換回普通數組。

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

視圖的操作

建立了視圖以後，就可以進行各種操作了。這裏需要明確的是，視圖其實就是普通數組，語法完全沒有什麼不同，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據類型。所以，視圖就被叫做“類型化數組”。

（1）數組操作

普通數組的操作方法和屬性，對類型化數組完全適用。

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字節的ArrayBuffer對象，然後在它的基礎上，建立了一個32位整數的視圖。由於每個32位整數佔據4個字節，所以一共可以寫入4個整數，依次爲0，2，4，6。

如果在這段數據上接着建立一個16位整數的視圖，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

由於每個16位整數佔據2個字節，所以整個ArrayBuffer對象現在分成8段。然後，由於x86體系的計算機都採用小端字節序（little endian），相對重要的字節排在後面的內存地址，相對不重要字節排在前面的內存地址，所以就得到了上面的結果。

比如，一個佔據四個字節的16進制數0x12345678，決定其大小的最重要的字節是“12”，最不重要的是“78”。小端字節序將最不重要的字節排在前面，儲存順序就是78563412；大端字節序則完全相反，將最重要的字節排在前面，儲存順序就是12345678。目前，所有個人電腦幾乎都是小端字節序，所以類型化數組內部也採用小端字節序讀寫數據，或者更準確的說，按照本機操作系統設定的字節序讀寫數據。

這並不意味大端字節序不重要，事實上，很多網絡設備和特定的操作系統採用的是大端字節序。這就帶來一個嚴重的問題：如果一段數據是大端字節序，類型化數組將無法正確解析，因爲它只能處理小端字節序！爲了解決這個問題，JavaScript引入DataView對象，可以設定字節序，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 [0x02, 0x01, 0x03, 0x07]
// 計算機採用小端字節序
var uInt16View = new Uint16Array(buffer);

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

// 賦值運算
uInt16View[0] = 255;    // 字節變爲[0xFF, 0x00, 0x03, 0x07]
uInt16View[0] = 0xff05; // 字節變爲[0x05, 0xFF, 0x03, 0x07]
uInt16View[1] = 0x0210; // 字節變爲[0x05, 0xFF, 0x10, 0x02]

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

（2）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 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。

var a = new Int16Array(8);

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

（4）set方法

類型化數組的set方法用於複製數組，也就是將一段內容完全複製到另一段內存。

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方法還可以接受第二個參數，表示從b對象哪一個成員開始複製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，所以從b[2]開始複製。

（5）subarray方法

subarray方法是對於類型化數組的一部分，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），如果省略則包含剩餘的全部成員。所以，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。

（6）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確定的。假定字符串採用UTF-16編碼（JavaScript的內部編碼方式），可以自己編寫轉換函數。

// 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

由於視圖的構造函數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據，這叫做“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);

上面代碼將一個24字節長度的ArrayBuffer對象，分成三個部分：

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

這種數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

如果一段數據包括多種類型（比如服務器傳來的HTTP數據），這時除了建立ArrayBuffer對象的複合視圖以外，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據，所以使用本機的字節序就可以了；而DataView的設計目的，是用來處理網絡設備傳來的數據，所以大端字節序或小端字節序是可以自行設定的。

DataView本身也是構造函數，接受一個ArrayBuffer對象作爲參數，生成視圖。

DataView(ArrayBuffer buffer [, 字節起始位置 [, 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，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。

如果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，到底是小端字節序還是大端字節序。默認情況下，DataView的get方法使用大端字節序解讀數據，如果需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視圖提供以下方法寫入內存：

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，需要指定第三個參數，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);

如果不確定正在使用的計算機的字節序，可以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;
})();

如果返回true，就是小端字節序；如果返回false，就是大端字節序。

應用

Ajax

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

xhr.responseType = 'arraybuffer';

如果知道傳回來的是32位整數，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;

需要注意的是，上面代碼的typedArray雖然是一個類型化數組，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，把每個字節解讀爲無符號的8位整數，即只能取值0～255，而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。

舉例來說，如果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));

因爲Uint8Array類型對於大於255的運算結果（比如0xFF+1），會自動變爲0x00，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

如果知道一個文件的二進制數據類型，也可以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);

然後，定義處理圖像的回調函數：先在二進制數據之上建立一個DataView視圖，再建立一個bitmap對象，用於存放處理後的數據，最後將圖像展示在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

ArrayBuffer：類型化數組

ArrayBuffer：類型化數組

目錄

分配內存

視圖

視圖的生成

視圖的操作

複合視圖

DataView視圖

應用

Ajax

Canvas

File

參考鏈接

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