ECMAScript6笔记：二进制数组

亦凉 2022-07-14 07:26 146阅读 0赞

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）。

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 ##

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。

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。

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 ##

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?)

（2）TypedArray(length)

（3）TypedArray(typedArray)

（4）TypedArray(arrayLikeObject)

**数组方法**

普通数组的操作方法和属性，对TypedArray数组完全适用。

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。

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。

**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。

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。

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。

## 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]]);

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。

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。

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

Canvas

WebSocket

Fetch API

File API