[TOC] 类型化数组是JavaScript操作二进制数据的一个接口。 这要从WebGL项目的诞生说起，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。 比如，以文本格式传递一个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，然后将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。 类型化数组（Typed Array）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。有了类型化数组以后，JavaScript的二进制数据处理功能增强了很多，接口之间完全可以用二进制数据通信。 ## 分配内存 类型化数组是建立在ArrayBuffer对象的基础上的。它的作用是，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。 ArrayBuffer对象的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对象有一个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，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，第二个参数表示拷贝截止的字节序号。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。 ## 视图 ### 视图的生成 ArrayBuffer作为内存区域，可以存放多种类型的数据。不同数据有不同的存储方式，这就叫做“视图”。目前，JavaScript提供以下类型的视图： * 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。 * 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。 每一种视图都有一个BYTES_PER_ELEMENT常数，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 ~~~ 每一种视图都是一个构造函数，有多种方法可以生成： （1）在ArrayBuffer对象之上生成视图。 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：视图对应的底层ArrayBuffer对象，该参数是必需的。 * 第二个参数：视图开始的字节序号，默认从0开始。 * 第三个参数：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：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。 （2）直接生成。 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）将普通数组转为视图数组。 将一个数据类型符合要求的普通数组，传入构造函数，也能直接生成视图。 ~~~ var typedArray = new Uint8Array( [ 1, 2, 3, 4 ] ); ~~~ 上面代码将一个普通的数组，赋值给一个新生成的8位无符号整数的视图数组。 视图数组也可以转换回普通数组。 ~~~ var normalArray = Array.apply( [], typedArray ); ~~~ ### 视图的操作 建立了视图以后，就可以进行各种操作了。这里需要明确的是，视图其实就是普通数组，语法完全没有什么不同，只不过它直接针对内存进行操作，而且每个成员都有确定的数据类型。所以，视图就被叫做“类型化数组”。 （1）数组操作 普通数组的操作方法和属性，对类型化数组完全适用。 ~~~ 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。 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，所以类型化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，类型化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。 下面是另一个例子。 ~~~ // 假定某段buffer包含如下字节 [0x02, 0x01, 0x03, 0x07] // 计算机采用小端字节序 var uInt16View = new Uint16Array(buffer); // 比较运算 if (bufView[0]===258) { console.log("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] ~~~ 总之，与普通数组相比，类型化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。 （2）buffer属性 类型化数组的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对象和b对象，对应同一个ArrayBuffer对象，即同一段内存。 （3）byteLength属性和byteOffset属性 byteLength属性返回类型化数组占据的内存长度，单位为字节。byteOffset属性返回类型化数组从底层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 ~~~ 注意将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 ~~~ （4）set方法 类型化数组的set方法用于复制数组，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。 （5）subarray方法 subarray方法是对于类型化数组的一部分，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。 （6）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; } ~~~ ### 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 这种数据结构可以用如下的C语言描述： ~~~ struct someStruct { unsigned long id; char username[16]; float amountDue; }; ~~~ ## 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对象的各种类型化视图，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]]); ~~~ 下面是一个实例。 ~~~ var buffer = new ArrayBuffer(24); var dv = new DataView(buffer); ~~~ DataView视图提供以下方法读取内存： * 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，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视图提供以下方法写入内存： * 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。 ## 应用 ### Ajax 传统上，服务器通过Ajax操作只能返回文本数据。XMLHttpRequest 第二版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。 ~~~ xhr.responseType = 'arraybuffer'; ~~~ 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，就是类型化数组。 ~~~ 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，上面代码的typedArray虽然是一个类型化数组，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。 ### File 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类型化数组。 ~~~ reader.readAsArrayBuffer(file); ~~~ 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。具体每个文件头的格式和定义，请参阅有关资料。 ~~~ 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。下一步，可以根据需要，进行图像变形，或者转换格式，或者展示在Canvas网页元素之中。 ## 参考链接 * Ilmari Heikkinen, [Typed Arrays: Binary Data in the Browser](http://www.html5rocks.com/en/tutorials/webgl/typed_arrays/) * Khronos, [Typed Array Specification](http://www.khronos.org/registry/typedarray/specs/latest/) * Ian Elliot, [Reading A BMP File In JavaScript](http://www.i-programmer.info/projects/36-web/6234-reading-a-bmp-file-in-javascript.html) * Renato Mangini, [How to convert ArrayBuffer to and from String](http://updates.html5rocks.com/2012/06/How-to-convert-ArrayBuffer-to-and-from-String)