ECMAScript 6 二進(jìn)制數(shù)組

1. ArrayBuffer對象
2. TypedArray視圖
3. 復(fù)合視圖
4. DataView視圖
5. 二進(jìn)制數(shù)組的應(yīng)用

二進(jìn)制數(shù)組（ArrayBuffer對象、TypedArray視圖和DataView視圖）是JavaScript操作二進(jìn)制數(shù)據(jù)的一個接口。這些對象早就存在，屬于獨(dú)立的規(guī)格（2011年2月發(fā)布），ES6將它們納入了ECMAScript規(guī)格，并且增加了新的方法。

這個接口的原始設(shè)計目的，與WebGL項目有關(guān)。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(jù)交換，它們之間的數(shù)據(jù)通信必須是二進(jìn)制的，而不能是傳統(tǒng)的文本格式。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(jìn)行格式轉(zhuǎn)化，將非常耗時。這時要是存在一種機(jī)制，可以像C語言那樣，直接操作字節(jié)，將4個字節(jié)的32位整數(shù)，以二進(jìn)制形式原封不動地送入顯卡，腳本的性能就會大幅提升。

二進(jìn)制數(shù)組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(biāo)的形式，直接操作內(nèi)存，大大增強(qiáng)了JavaScript處理二進(jìn)制數(shù)據(jù)的能力，使得開發(fā)者有可能通過JavaScript與操作系統(tǒng)的原生接口進(jìn)行二進(jìn)制通信。

二進(jìn)制數(shù)組由三類對象組成。

（1）ArrayBuffer對象：代表內(nèi)存之中的一段二進(jìn)制數(shù)據(jù)，可以通過“視圖”進(jìn)行操作?！耙晥D”部署了數(shù)組接口，這意味著，可以用數(shù)組的方法操作內(nèi)存。

（2）TypedArray視圖：共包括9種類型的視圖，比如Uint8Array（無符號8位整數(shù)）數(shù)組視圖, Int16Array（16位整數(shù)）數(shù)組視圖, Float32Array（32位浮點(diǎn)數(shù)）數(shù)組視圖等等。

（3）DataView視圖：可以自定義復(fù)合格式的視圖，比如第一個字節(jié)是Uint8（無符號8位整數(shù)）、第二、三個字節(jié)是Int16（16位整數(shù)）、第四個字節(jié)開始是Float32（32位浮點(diǎn)數(shù)）等等，此外還可以自定義字節(jié)序。

簡單說，ArrayBuffer對象代表原始的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，TypedArray視圖用來讀寫簡單類型的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，DataView視圖用來讀寫復(fù)雜類型的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

TypedArray視圖支持的數(shù)據(jù)類型一共有9種（DataView視圖支持除Uint8C以外的其他8種）。

注意，二進(jìn)制數(shù)組并不是真正的數(shù)組，而是類似數(shù)組的對象。

很多瀏覽器操作的API，用到了二進(jìn)制數(shù)組操作二進(jìn)制數(shù)據(jù)，下面是其中的幾個。

• File API
• XMLHttpRequest
• Fetch API
• Canvas
• WebSockets

ArrayBuffer對象

概述

ArrayBuffer對象代表儲存二進(jìn)制數(shù)據(jù)的一段內(nèi)存，它不能直接讀寫，只能通過視圖（TypedArray視圖和DataView視圖)來讀寫，視圖的作用是以指定格式解讀二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

ArrayBuffer也是一個構(gòu)造函數(shù)，可以分配一段可以存放數(shù)據(jù)的連續(xù)內(nèi)存區(qū)域。

var buf = new ArrayBuffer(32);

上面代碼生成了一段32字節(jié)的內(nèi)存區(qū)域，每個字節(jié)的值默認(rèn)都是0?？梢钥吹?，ArrayBuffer構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)是所需要的內(nèi)存大?。▎挝蛔止?jié)）。

為了讀寫這段內(nèi)容，需要為它指定視圖。DataView視圖的創(chuàng)建，需要提供ArrayBuffer對象實例作為參數(shù)。

var buf = new ArrayBuffer(32);
var dataView = new DataView(buf);
dataView.getUint8(0) // 0

上面代碼對一段32字節(jié)的內(nèi)存，建立DataView視圖，然后以不帶符號的8位整數(shù)格式，讀取第一個元素，結(jié)果得到0，因為原始內(nèi)存的ArrayBuffer對象，默認(rèn)所有位都是0。

另一種TypedArray視圖，與DataView視圖的一個區(qū)別是，它不是一個構(gòu)造函數(shù)，而是一組構(gòu)造函數(shù)，代表不同的數(shù)據(jù)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

上面代碼對同一段內(nèi)存，分別建立兩種視圖：32位帶符號整數(shù)（Int32Array構(gòu)造函數(shù)）和8位不帶符號整數(shù)（Uint8Array構(gòu)造函數(shù)）。由于兩個視圖對應(yīng)的是同一段內(nèi)存，一個視圖修改底層內(nèi)存，會影響到另一個視圖。

TypedArray視圖的構(gòu)造函數(shù)，除了接受ArrayBuffer實例作為參數(shù)，還可以接受普通數(shù)組作為參數(shù)，直接分配內(nèi)存生成底層的ArrayBuffer實例，并同時完成對這段內(nèi)存的賦值。

var typedArray = new Uint8Array([0,1,2]);
typedArray.length // 3

typedArray[0] = 5;
typedArray // [5, 1, 2]

上面代碼使用TypedArray視圖的Uint8Array構(gòu)造函數(shù)，新建一個不帶符號的8位整數(shù)視圖?？梢钥吹剑?code>Uint8Array直接使用普通數(shù)組作為參數(shù)，對底層內(nèi)存的賦值同時完成。

ArrayBuffer.prototype.byteLength

ArrayBuffer實例的byteLength屬性，返回所分配的內(nèi)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(nèi)存區(qū)域很大，有可能分配失?。ㄒ驗闆]有那么多的連續(xù)空余內(nèi)存），所以有必要檢查是否分配成功。

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

ArrayBuffer.prototype.slice()

ArrayBuffer實例有一個slice方法，允許將內(nèi)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)（從0開始，到第3個字節(jié)前面結(jié)束），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(nèi)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（含該字節(jié)），第二個參數(shù)表示拷貝截止的字節(jié)序號（不含該字節(jié)）。如果省略第二個參數(shù)，則默認(rèn)到原ArrayBuffer對象的結(jié)尾。

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

ArrayBuffer.isView()

ArrayBuffer有一個靜態(tài)方法isView，返回一個布爾值，表示參數(shù)是否為ArrayBuffer的視圖實例。這個方法大致相當(dāng)于判斷參數(shù)，是否為TypedArray實例或DataView實例。

var buffer = new ArrayBuffer(8);
ArrayBuffer.isView(buffer) // false

var v = new Int32Array(buffer);
ArrayBuffer.isView(v) // true

TypedArray視圖

概述

ArrayBuffer對象作為內(nèi)存區(qū)域，可以存放多種類型的數(shù)據(jù)。同一段內(nèi)存，不同數(shù)據(jù)有不同的解讀方式，這就叫做“視圖”（view）。ArrayBuffer有兩種視圖，一種是TypedArray視圖，另一種是DataView視圖。前者的數(shù)組成員都是同一個數(shù)據(jù)類型，后者的數(shù)組成員可以是不同的數(shù)據(jù)類型。

目前，TypedArray視圖一共包括9種類型，每一種視圖都是一種構(gòu)造函數(shù)。

• 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)。
• Uint8ClampedArray：8位無符號整數(shù)，長度1個字節(jié)，溢出處理不同。
• 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(diǎn)數(shù)，長度4個字節(jié)。
• Float64Array：64位浮點(diǎn)數(shù)，長度8個字節(jié)。

這9個構(gòu)造函數(shù)生成的數(shù)組，統(tǒng)稱為TypedArray視圖。它們很像普通數(shù)組，都有length屬性，都能用方括號運(yùn)算符（[]）獲取單個元素，所有數(shù)組的方法，在它們上面都能使用。普通數(shù)組與TypedArray數(shù)組的差異主要在以下方面。

• TypedArray數(shù)組的所有成員，都是同一種類型。
• TypedArray數(shù)組的成員是連續(xù)的，不會有空位。
• TypedArray數(shù)組成員的默認(rèn)值為0。比如，new Array(10)返回一個普通數(shù)組，里面沒有任何成員，只是10個空位；new Uint8Array(10)返回一個TypedArray數(shù)組，里面10個成員都是0。
• TypedArray數(shù)組只是一層視圖，本身不儲存數(shù)據(jù)，它的數(shù)據(jù)都儲存在底層的ArrayBuffer對象之中，要獲取底層對象必須使用buffer屬性。

構(gòu)造函數(shù)

TypedArray數(shù)組提供9種構(gòu)造函數(shù)，用來生成相應(yīng)類型的數(shù)組實例。

構(gòu)造函數(shù)有多種用法。

（1）TypedArray(buffer, byteOffset=0, length?)

同一個ArrayBuffer對象之上，可以根據(jù)不同的數(shù)據(jù)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(nèi)存（b）之上，生成了三個視圖：v1、v2和v3。

視圖的構(gòu)造函數(shù)可以接受三個參數(shù)：

• 第一個參數(shù)（必需）：視圖對應(yīng)的底層ArrayBuffer對象。
• 第二個參數(shù)（可選）：視圖開始的字節(jié)序號，默認(rèn)從0開始。
• 第三個參數(shù)（可選）：視圖包含的數(shù)據(jù)個數(shù)，默認(rèn)直到本段內(nèi)存區(qū)域結(jié)束。

因此，v1、v2和v3是重疊的：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(nèi)存有所修改，就會在另外兩個視圖上反應(yīng)出來。

注意，byteOffset必須與所要建立的數(shù)據(jù)類型一致，否則會報錯。

var buffer = new ArrayBuffer(8);
var i16 = new Int16Array(buffer, 1);
// Uncaught RangeError: start offset of Int16Array should be a multiple of 2

上面代碼中，新生成一個8個字節(jié)的ArrayBuffer對象，然后在這個對象的第一個字節(jié)，建立帶符號的16位整數(shù)視圖，結(jié)果報錯。因為，帶符號的16位整數(shù)需要兩個字節(jié)，所以byteOffset參數(shù)必須能夠被2整除。

如果想從任意字節(jié)開始解讀ArrayBuffer對象，必須使用DataView視圖，因為TypedArray視圖只提供9種固定的解讀格式。

（2）TypedArray(length)

視圖還可以不通過ArrayBuffer對象，直接分配內(nèi)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(gòu)造函數(shù)的參數(shù)就是成員的個數(shù)?？梢钥吹剑晥D數(shù)組的賦值操作與普通數(shù)組的操作毫無兩樣。

（3）TypedArray(typedArray)

TypedArray數(shù)組的構(gòu)造函數(shù)，可以接受另一個TypedArray實例作為參數(shù)。

var typedArray = new Int8Array(new Uint8Array(4));

上面代碼中，Int8Array構(gòu)造函數(shù)接受一個Uint8Array實例作為參數(shù)。

注意，此時生成的新數(shù)組，只是復(fù)制了參數(shù)數(shù)組的值，對應(yīng)的底層內(nèi)存是不一樣的。新數(shù)組會開辟一段新的內(nèi)存儲存數(shù)據(jù)，不會在原數(shù)組的內(nèi)存之上建立視圖。

var x = new Int8Array([1, 1]);
var y = new Int8Array(x);
x[0] // 1
y[0] // 1

x[0] = 2;
y[0] // 1

上面代碼中，數(shù)組y是以數(shù)組x為模板而生成的，當(dāng)x變動的時候，y并沒有變動。

如果想基于同一段內(nèi)存，構(gòu)造不同的視圖，可以采用下面的寫法。

var x = new Int8Array([1, 1]);
var y = new Int8Array(x.buffer);
x[0] // 1
y[0] // 1

x[0] = 2;
y[0] // 2

（4）TypedArray(arrayLikeObject)

構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)也可以是一個普通數(shù)組，然后直接生成TypedArray實例。

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

注意，這時TypedArray視圖會重新開辟內(nèi)存，不會在原數(shù)組的內(nèi)存上建立視圖。

上面代碼從一個普通的數(shù)組，生成一個8位無符號整數(shù)的TypedArray實例。

TypedArray數(shù)組也可以轉(zhuǎn)換回普通數(shù)組。

var normalArray = Array.prototype.slice.call(typedArray);

數(shù)組方法

普通數(shù)組的操作方法和屬性，對TypedArray數(shù)組完全適用。

• TypedArray.prototype.copyWithin(target, start[, end = this.length])
• TypedArray.prototype.entries()
• TypedArray.prototype.every(callbackfn, thisArg?)
• TypedArray.prototype.fill(value, start=0, end=this.length)
• TypedArray.prototype.filter(callbackfn, thisArg?)
• TypedArray.prototype.find(predicate, thisArg?)
• TypedArray.prototype.findIndex(predicate, thisArg?)
• TypedArray.prototype.forEach(callbackfn, thisArg?)
• TypedArray.prototype.indexOf(searchElement, fromIndex=0)
• TypedArray.prototype.join(separator)
• TypedArray.prototype.keys()
• TypedArray.prototype.lastIndexOf(searchElement, fromIndex?)
• TypedArray.prototype.map(callbackfn, thisArg?)
• TypedArray.prototype.reduce(callbackfn, initialValue?)
• TypedArray.prototype.reduceRight(callbackfn, initialValue?)
• TypedArray.prototype.reverse()
• TypedArray.prototype.slice(start=0, end=this.length)
• TypedArray.prototype.some(callbackfn, thisArg?)
• TypedArray.prototype.sort(comparefn)
• TypedArray.prototype.toLocaleString(reserved1?, reserved2?)
• TypedArray.prototype.toString()
• TypedArray.prototype.values()

上面所有方法的用法，請參閱數(shù)組方法的介紹，這里不再重復(fù)了。

注意，TypedArray數(shù)組沒有concat方法。如果想要合并多個TypedArray數(shù)組，可以用下面這個函數(shù)。

function concatenate(resultConstructor, ...arrays) {
  let totalLength = 0;
  for (let arr of arrays) {
    totalLength += arr.length;
  }
  let result = new resultConstructor(totalLength);
  let offset = 0;
  for (let arr of arrays) {
    result.set(arr, offset);
    offset += arr.length;
  }
  return result;
}

concatenate(Uint8Array, Uint8Array.of(1, 2), Uint8Array.of(3, 4))
// Uint8Array [1, 2, 3, 4]

另外，TypedArray數(shù)組與普通數(shù)組一樣，部署了Iterator接口，所以可以被遍歷。

let ui8 = Uint8Array.of(0, 1, 2);
for (let byte of ui8) {
  console.log(byte);
}
// 0
// 1
// 2

字節(jié)序

字節(jié)序指的是數(shù)值在內(nèi)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;
}

上面代碼生成一個16字節(jié)的ArrayBuffer對象，然后在它的基礎(chǔ)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(jù)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(jù)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(jié)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(jù)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(jī)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(nèi)存地址，相對不重要字節(jié)排在前面的內(nèi)存地址，所以就得到了上面的結(jié)果。

比如，一個占據(jù)四個字節(jié)的16進(jìn)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?qū)⒆畈恢匾淖止?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TypedArray數(shù)組內(nèi)部也采用小端字節(jié)序讀寫數(shù)據(jù)，或者更準(zhǔn)確的說，按照本機(jī)操作系統(tǒng)設(shè)定的字節(jié)序讀寫數(shù)據(jù)。

這并不意味大端字節(jié)序不重要，事實上，很多網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(yán)重的問題：如果一段數(shù)據(jù)是大端字節(jié)序，TypedArray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(shè)定字節(jié)序，下文會詳細(xì)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]
var buffer = new ArrayBuffer(4);
var v1 = new Uint8Array(buffer);
v1[0] = 2;
v1[1] = 1;
v1[2] = 3;
v1[3] = 7;

var uInt16View = new Uint16Array(buffer);

// 計算機(jī)采用小端字節(jié)序
// 所以頭兩個字節(jié)等于258
if (uInt16View[0] === 258) {
  console.log('OK'); // "OK"
}

// 賦值運(yùn)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]

下面的函數(shù)可以用來判斷，當(dāng)前視圖是小端字節(jié)序，還是大端字節(jié)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');
  }
}

總之，與普通數(shù)組相比，TypedArray數(shù)組的最大優(yōu)點(diǎn)就是可以直接操作內(nèi)存，不需要數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換，所以速度快得多。

BYTES_PER_ELEMENT屬性

每一種視圖的構(gòu)造函數(shù)，都有一個BYTES_PER_ELEMENT屬性，表示這種數(shù)據(jù)類型占據(jù)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

這個屬性在TypedArray實例上也能獲取，即有TypedArray.prototype.BYTES_PER_ELEMENT。

ArrayBuffer與字符串的互相轉(zhuǎn)換

ArrayBuffer轉(zhuǎn)為字符串，或者字符串轉(zhuǎn)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(nèi)部編碼方式），可以自己編寫轉(zhuǎn)換函數(shù)。

// ArrayBuffer轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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;
}

溢出

不同的視圖類型，所能容納的數(shù)值范圍是確定的。超出這個范圍，就會出現(xiàn)溢出。比如，8位視圖只能容納一個8位的二進(jìn)制值，如果放入一個9位的值，就會溢出。

TypedArray數(shù)組的溢出處理規(guī)則，簡單來說，就是拋棄溢出的位，然后按照視圖類型進(jìn)行解釋。

var uint8 = new Uint8Array(1);

uint8[0] = 256;
uint8[0] // 0

uint8[0] = -1;
uint8[0] // 255

上面代碼中，uint8是一個8位視圖，而256的二進(jìn)制形式是一個9位的值100000000，這時就會發(fā)生溢出。根據(jù)規(guī)則，只會保留后8位，即00000000。uint8視圖的解釋規(guī)則是無符號的8位整數(shù)，所以00000000就是0。

負(fù)數(shù)在計算機(jī)內(nèi)部采用“2的補(bǔ)碼”表示，也就是說，將對應(yīng)的正數(shù)值進(jìn)行否運(yùn)算，然后加1。比如，-1對應(yīng)的正值是1，進(jìn)行否運(yùn)算以后，得到11111110，再加上1就是補(bǔ)碼形式11111111。uint8按照無符號的8位整數(shù)解釋11111111，返回結(jié)果就是255。

一個簡單轉(zhuǎn)換規(guī)則，可以這樣表示。

• 正向溢出（overflow）：當(dāng)輸入值大于當(dāng)前數(shù)據(jù)類型的最大值，結(jié)果等于當(dāng)前數(shù)據(jù)類型的最小值加上余值，再減去1。
• 負(fù)向溢出（underflow）：當(dāng)輸入值小于當(dāng)前數(shù)據(jù)類型的最小值，結(jié)果等于當(dāng)前數(shù)據(jù)類型的最大值減去余值，再加上1。

請看下面的例子。

var int8 = new Int8Array(1);

int8[0] = 128;
int8[0] // -128

int8[0] = -129;
int8[0] // 127

上面例子中，int8是一個帶符號的8位整數(shù)視圖，它的最大值是127，最小值是-128。輸入值為128時，相當(dāng)于正向溢出1，根據(jù)“最小值加上余值，再減去1”的規(guī)則，就會返回-128；輸入值為-129時，相當(dāng)于負(fù)向溢出1，根據(jù)“最大值減去余值，再加上1”的規(guī)則，就會返回127。

Uint8ClampedArray視圖的溢出規(guī)則，與上面的規(guī)則不同。它規(guī)定，凡是發(fā)生正向溢出，該值一律等于當(dāng)前數(shù)據(jù)類型的最大值，即255；如果發(fā)生負(fù)向溢出，該值一律等于當(dāng)前數(shù)據(jù)類型的最小值，即0。

var uint8c = new Uint8ClampedArray(1);

uint8c[0] = 256;
uint8c[0] // 255

uint8c[0] = -1;
uint8c[0] // 0

上面例子中，uint8C是一個Uint8ClampedArray視圖，正向溢出時都返回255，負(fù)向溢出都返回0。

TypedArray.prototype.buffer

TypedArray實例的buffer屬性，返回整段內(nèi)存區(qū)域?qū)?yīng)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視圖對象和b視圖對象，對應(yīng)同一個ArrayBuffer對象，即同一段內(nèi)存。

TypedArray.prototype.byteLength，TypedArray.prototype.byteOffset

byteLength屬性返回TypedArray數(shù)組占據(jù)的內(nèi)存長度，單位為字節(jié)。byteOffset屬性返回TypedArray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

TypedArray.prototype.length

length屬性表示TypedArray數(shù)組含有多少個成員。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

TypedArray.prototype.set()

TypedArray數(shù)組的set方法用于復(fù)制數(shù)組（普通數(shù)組或TypedArray數(shù)組），也就是將一段內(nèi)容完全復(fù)制到另一段內(nèi)存。

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

b.set(a);

上面代碼復(fù)制a數(shù)組的內(nèi)容到b數(shù)組，它是整段內(nèi)存的復(fù)制，比一個個拷貝成員的那種復(fù)制快得多。

set方法還可以接受第二個參數(shù)，表示從b對象的哪一個成員開始復(fù)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(fù)制。

TypedArray.prototype.subarray()

subarray方法是對于TypedArray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(jié)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。

TypedArray.prototype.slice()

TypeArray實例的slice方法，可以返回一個指定位置的新的TypedArray實例。

let ui8 = Uint8Array.of(0, 1, 2);
ui8.slice(-1)
// Uint8Array [ 2 ]

上面代碼中，ui8是8位無符號整數(shù)數(shù)組視圖的一個實例。它的slice方法可以從當(dāng)前視圖之中，返回一個新的視圖實例。

slice方法的參數(shù)，表示原數(shù)組的具體位置，開始生成新數(shù)組。負(fù)值表示逆向的位置，即-1為倒數(shù)第一個位置，-2表示倒數(shù)第二個位置，以此類推。

TypedArray.of()

TypedArray數(shù)組的所有構(gòu)造函數(shù)，都有一個靜態(tài)方法of，用于將參數(shù)轉(zhuǎn)為一個TypedArray實例。

Float32Array.of(0.151, -8, 3.7)
// Float32Array [ 0.151, -8, 3.7 ]

下面三種方法都會生成同樣一個TypedArray數(shù)組。

// 方法一
let tarr = new Uint8Array([1,2,3]);

// 方法二
let tarr = Uint8Array.of(1,2,3);

// 方法三
let tarr = new Uint8Array(3);
tarr[0] = 1;
tarr[1] = 2;
tarr[2] = 3;

TypedArray.from()

靜態(tài)方法from接受一個可遍歷的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（比如數(shù)組）作為參數(shù)，返回一個基于這個結(jié)構(gòu)的TypedArray實例。

Uint16Array.from([0, 1, 2])
// Uint16Array [ 0, 1, 2 ]

這個方法還可以將一種TypedArray實例，轉(zhuǎn)為另一種。

var ui16 = Uint16Array.from(Uint8Array.of(0, 1, 2));
ui16 instanceof Uint16Array // true

from方法還可以接受一個函數(shù)，作為第二個參數(shù)，用來對每個元素進(jìn)行遍歷，功能類似map方法。

Int8Array.of(127, 126, 125).map(x => 2 * x)
// Int8Array [ -2, -4, -6 ]

Int16Array.from(Int8Array.of(127, 126, 125), x => 2 * x)
// Int16Array [ 254, 252, 250 ]

上面的例子中，from方法沒有發(fā)生溢出，這說明遍歷不是針對原來的8位整數(shù)數(shù)組。也就是說，from會將第一個參數(shù)指定的TypedArray數(shù)組，拷貝到另一段內(nèi)存之中，處理之后再將結(jié)果轉(zhuǎn)成指定的數(shù)組格式。

復(fù)合視圖

由于視圖的構(gòu)造函數(shù)可以指定起始位置和長度，所以在同一段內(nèi)存之中，可以依次存放不同類型的數(shù)據(jù)，這叫做“復(fù)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(diǎn)數(shù)

這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(jù)包括多種類型（比如服務(wù)器傳來的HTTP數(shù)據(jù)），這時除了建立ArrayBuffer對象的復(fù)合視圖以外，還可以通過DataView視圖進(jìn)行操作。

DataView視圖提供更多操作選項，而且支持設(shè)定字節(jié)序。本來，在設(shè)計目的上，ArrayBuffer對象的各種TypedArray視圖，是用來向網(wǎng)卡、聲卡之類的本機(jī)設(shè)備傳送數(shù)據(jù)，所以使用本機(jī)的字節(jié)序就可以了；而DataView視圖的設(shè)計目的，是用來處理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備傳來的數(shù)據(jù)，所以大端字節(jié)序或小端字節(jié)序是可以自行設(shè)定的。

DataView視圖本身也是構(gòu)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]]);

下面是一個例子。

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

DataView實例有以下屬性，含義與TypedArray實例的同名方法相同。

• DataView.prototype.buffer：返回對應(yīng)的ArrayBuffer對象
• DataView.prototype.byteLength：返回占據(jù)的內(nèi)存字節(jié)長度
• DataView.prototype.byteOffset：返回當(dāng)前視圖從對應(yīng)的ArrayBuffer對象的哪個字節(jié)開始

DataView實例提供8個方法讀取內(nèi)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(diǎn)數(shù)。
• getFloat64：讀取8個字節(jié)，返回一個64位浮點(diǎn)數(shù)。

這一系列get方法的參數(shù)都是一個字節(jié)序號（不能是負(fù)數(shù)，否則會報錯），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(jù)的存儲方式，到底是小端字節(jié)序還是大端字節(jié)序。默認(rèn)情況下，DataView的get方法使用大端字節(jié)序解讀數(shù)據(jù)，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8個方法寫入內(nèi)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(diǎn)數(shù)。
• setFloat64：寫入8個字節(jié)的64位浮點(diǎn)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(jù)。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?qū)懭耄?code>true表示使用小端字節(jié)序?qū)懭搿?/p>

// 在第1個字節(jié)，以大端字節(jié)序?qū)懭胫禐?5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?qū)懭胫禐?5的32位整數(shù)
dv.setInt32(4, 25);

// 在第9個字節(jié)，以小端字節(jié)序?qū)懭胫禐?.5的32位浮點(diǎn)數(shù)
dv.setFloat32(8, 2.5, true);

如果不確定正在使用的計算機(jī)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。

二進(jìn)制數(shù)組的應(yīng)用

大量的Web API用到了ArrayBuffer對象和它的視圖對象。

AJAX

傳統(tǒng)上，服務(wù)器通過AJAX操作只能返回文本數(shù)據(jù)，即responseType屬性默認(rèn)為text。XMLHttpRequest第二版XHR2允許服務(wù)器返回二進(jìn)制數(shù)據(jù)，這時分成兩種情況。如果明確知道返回的二進(jìn)制數(shù)據(jù)類型，可以把返回類型（responseType）設(shè)為arraybuffer；如果不知道，就設(shè)為blob。

var xhr = new XMLHttpRequest();
xhr.open('GET', someUrl);
xhr.responseType = 'arraybuffer';

xhr.onload = function () {
  let arrayBuffer = xhr.response;
  // ···
};

xhr.send();

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(wǎng)頁Canvas元素輸出的二進(jìn)制像素數(shù)據(jù)，就是TypedArray數(shù)組。

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

var imageData = ctx.getImageData(0, 0, canvas.width, canvas.height);
var uint8ClampedArray = imageData.data;

需要注意的是，上面代碼的uint8ClampedArray雖然是一個TypedArray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(diǎn)，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(yùn)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(shè)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(yùn)算結(jié)果（比如0xFF+1），會自動變?yōu)?code>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(shè)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(shè)為0，將大于255的值設(shè)為255。注意，IE 10不支持該類型。

WebSocket

WebSocket可以通過ArrayBuffer，發(fā)送或接收二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

var socket = new WebSocket('ws://127.0.0.1:8081');
socket.binaryType = 'arraybuffer';

// Wait until socket is open
socket.addEventListener('open', function (event) {
  // Send binary data
  var typedArray = new Uint8Array(4);
  socket.send(typedArray.buffer);
});

// Receive binary data
socket.addEventListener('message', function (event) {
  var arrayBuffer = event.data;
  // ···
});

Fetch API

Fetch API取回的數(shù)據(jù)，就是ArrayBuffer對象。

fetch(url)
.then(function(request){
  return request.arrayBuffer()
})
.then(function(arrayBuffer){
  // ...
});

File API

如果知道一個文件的二進(jìn)制數(shù)據(jù)類型，也可以將這個文件讀取為ArrayBuffer對象。

var fileInput = document.getElementById('fileInput');
var file = fileInput.files[0];
var reader = new FileReader();
reader.readAsArrayBuffer(file);
reader.onload = function () {
  var arrayBuffer = reader.result;
  // ···
};

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(diào)函數(shù)：先在二進(jìn)制數(shù)據(jù)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(jù)，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(jù)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(guān)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(jù)全部處理完成。下一步，可以根據(jù)需要，進(jìn)行圖像變形，或者轉(zhuǎn)換格式，或者展示在Canvas網(wǎng)頁元素之中。