[TOC] 類型化數組是JavaScript操作二進制數據的一個接口。 這要從WebGL項目的誕生說起，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、實時的數據交換，它們之間的數據通信必須是二進制的，而不能是傳統的文本格式。 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，然后將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。有了類型化數組以后，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（因為沒有那么多的連續空余內存），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，然后通過視圖讀寫。 ## 視圖 ### 視圖的生成 ArrayBuffer作為內存區域，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，表示這種數據類型占據的字節數。 ~~~ 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，開始于字節0，直到緩沖區的末尾 var v1 = new Int32Array(b); // 創建一個指向b的Uint8視圖，開始于字節2，直到緩沖區的末尾 var v2 = new Uint8Array(b, 2); // 創建一個指向b的Int16視圖，開始于字節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），然后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）將普通數組轉為視圖數組。 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 建立了視圖以后，就可以進行各種操作了。這里需要明確的是，視圖其實就是普通數組，語法完全沒有什么不同，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，然后在它的基礎上，建立了一個32位整數的視圖。由于每個32位整數占據4個字節，所以一共可以寫入4個整數，依次為0，2，4，6。 如果在這段數據上接著建立一個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 ~~~ 由于每個16位整數占據2個字節，所以整個ArrayBuffer對象現在分成8段。然后，由于x86體系的計算機都采用小端字節序（little endian），相對重要的字節排在后面的內存地址，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，一個占據四個字節的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采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。 這并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采用的是大端字節序。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，因為它只能處理小端字節序！為了解決這個問題，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] // 計算機采用小端字節序 var uInt16View = new Uint16Array(buffer); // 比較運算 if (bufView[0]===258) { console.log("ok"); } // 賦值運算 uInt16View[0] = 255; // 字節變為[0xFF, 0x00, 0x03, 0x07] uInt16View[0] = 0xff05; // 字節變為[0x05, 0xFF, 0x03, 0x07] uInt16View[1] = 0x0210; // 字節變為[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。該屬性為只讀屬性。 ~~~ 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占據的內存長度，單位為字節。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 ~~~ 注意將byteLength屬性和length屬性區分，前者是字節長度，后者是成員長度。 ~~~ var a = new Int16Array(8); a.length // 8 a.byteLength // 16 ~~~ （4）set方法 類型化數組的set方法用于復制數組，也就是將一段內容完全復制到另一段內存。 ~~~ var a = new Uint8Array(8); var b = new Uint8Array(8); b.set(a); ~~~ 上面代碼復制a數組的內容到b數組，它是整段內存的復制，比一個個拷貝成員的那種復制快得多。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復制a對象。 ~~~ var a = new Uint16Array(8); var b = new Uint16Array(10); b.set(a,2) ~~~ 上面代碼的b數組比a數組多兩個成員，所以從b[2]開始復制。 （5）subarray方法 subarray方法是對于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，字節長度為2。 （6）ArrayBuffer與字符串的互相轉換 ArrayBuffer轉為字符串，或者字符串轉為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的內部編碼方式），可以自己編寫轉換函數。 ~~~ // ArrayBuffer轉為字符串，參數為ArrayBuffer對象 function ab2str(buf) { return String.fromCharCode.apply(null, new Uint16Array(buf)); } // 字符串轉為ArrayBuffer對象，參數為字符串 function str2ab(str) { var buf = new ArrayBuffer(str.length*2); // 每個字符占用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; } ~~~ ### 復合視圖 由于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“復合視圖”。 ~~~ 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對象的復合視圖以外，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對象作為參數，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，第二個參數為寫入的數據。對于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為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為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為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）設為arraybuffer；如果不知道，就設為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，把每個字節解讀為無符號的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的運算結果（比如0xFF+1），會自動變為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的值設為0，將大于255的值設為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為類型化數組。 ~~~ reader.readAsArrayBuffer(file); ~~~ 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，用于存放處理后的數據，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](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)