ES6学习18（二进制数组）

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。

• 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。
• 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。
• 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）。
Int8
Uint8
Uint8C
Int16
Uint16
Int32
Uint32
Float32
Float64
注意，二进制数组并不是真正的数组，而是类似数组的对象。

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。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。使用 byteLength

//生成了一段32字节的内存区域，每个字节的值默认都是0
var buf = new ArrayBuffer(32);
console.log(buf.byteLength); // 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。

//建立DataView视图
var dataView = new DataView(buf);
//以不带符号的8位整数格式，读取第一个元素
console.log(dataView.getUint8(0)); // 0
//TypedArray视图
//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
//32位带符号整数视图
var x1 = new Int32Array(buf);
x1[0] = 1;
//8位不带符号整数
var x2 = new Uint8Array(buf);
//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
x2[0] = 2;
x2[1] = 1;
console.log(x1[0]) // 258

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。

//直接分配内存生成底层的ArrayBuffer实例，并返回一个对应类型的视图
var typedArray = new Uint8Array([0,1,2]);
typedArray[0] = 5;
console.log(typedArray) // [5, 1, 2]
console.log(typedArray.length)// 3

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。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。

var buffer = new ArrayBuffer(8);
//第一步是先分配一段新内存
//第二步是将原来那个ArrayBuffer对象指定的部分拷贝过去
var newBuffer = buffer.slice(0, 3);

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

概述

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

// 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);

注意，byteOffset必须与所要建立的数据类型一致，否则会报错。

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

因为，带符号的16位整数需要两个字节，所以byteOffset参数必须能够被2整除。
如果想从任意字节开始解读ArrayBuffer对象，必须使用DataView视图，因为TypedArray视图只提供9种固定的解读格式。
TypedArray(length)
视图还可以不通过ArrayBuffer对象，直接分配内存而生成。

//生成一个8个成员的Float64Array数组64字节
var f64a = new Float64Array(8);
f64a[0] = 10;
f64a[1] = 20;
f64a[2] = f64a[0] + f64a[1];

TypedArray(typedArray)
TypedArray数组的构造函数，可以接受另一个TypedArray实例作为参数。

var x = new Int8Array([1, 1]);
//y开辟了新的内存空间并复制了x的值，然后在新的ArrayBuffer上建立了视图
//他们两个并不联动
var y = new Int8Array(x);
console.log(x[0]) // 1
console.log(y[0]) // 1
x[0] = 2;
console.log(x[0]) // 2
console.log(y[0]) // 1
//如果想基于同一段内存，构造不同的视图
//这里相当于把x视图读取的ArrayBuffer对象传了进去，调用的是第一个构造函数
var z = new Int8Array(x.buffer);
console.log(z[0]) // 2

TypedArray(arrayLikeObject)
构造函数的参数也可以是一个普通数组，然后直接生成TypedArray实例。

var typedArray = new Uint8Array([1, 2, 3, 4]);
console.log(typedArray);//Uint8Array { '0': 1, '1': 2, '2': 3, '3': 4 }
var normalArray = Array.prototype.slice.call(typedArray);
console.log(normalArray);//[ 1, 2, 3, 4 ]

注意，这时TypedArray视图会重新开辟内存，不会在原数组的内存上建立视图。
上面代码从一个普通的数组，生成一个8位无符号整数的TypedArray实例。
TypedArray数组也可以转换回普通数组。

数组方法

普通数组的操作方法和属性，对TypedArray数组完全适用。

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()

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：

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) {
    //这个方法把一段内容完全复制到另一段内存
    //这里就是从result的offset开始完全复制arr
    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数组与普通数组一样，部署了Iterator接口，所以可以被遍历。

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

字节序

字节序指的是数值在内存中的表示方式。

//建立一个4字节的ArrayBuffer
//这个buffer中可以放一个32位整数，也可以放两个16位整数
var buffer = new ArrayBuffer(4);
//建立一个32位整数的视图
var int32View = new Int32Array(buffer);
//所有个人电脑几乎都是小端字节序
//TypedArray数组内部也采用小端字节序读写数据
//存进去的值将是：0100 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000
int32View[0] = 2;
console.log(int32View);//Int32Array { '0': 2 }
//现在建立一个16位整数的视图，应该可以读出来两个数
//0100 0000 0000 0000
//0000 0000 0000 0000
var int16View = new Int16Array(buffer);
console.log(int16View);//Int16Array { '0': 2, '1': 0 }

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。
下面这个函数可以判断出你所在的平台中的TypedArray是大端序还是小端序，利用的就是存进去一个int32，再用int8取出来，看看结果是什么：

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');
  }
}
console.log(getPlatformEndianness());

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。

console.log(Float64Array.BYTES_PER_ELEMENT)//8

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) {
  // 每个UTF-16字符占用2个字节
  var buf = new ArrayBuffer(str.length * 2); 
  var bufView = new Uint16Array(buf);
  for (var i = 0, strLen = str.length; i < strLen; i++) {
    bufView[i] = str.charCodeAt(i);
  }
  return buf;
}
var buf = str2ab("hello rabbits");
console.log(ab2str(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

TypedArray.prototype.buffer

TypedArray实例的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视图对象和b视图对象，对应同一个ArrayBuffer对象，即同一段内存。

TypedArray.prototype.byteLength，TypedArray.prototype.byteOffset，TypedArray.prototype.length

byteLength属性返回TypedArray数组占据的内存长度，单位为字节。byteOffset属性返回TypedArray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。
length属性表示TypedArray数组含有多少个成员。

var x = new ArrayBuffer(64);
var v1 = new Uint8Array(x);
var v2 = new Int16Array(x, 2, 2);
//TypedArray.prototype.byteLength
console.log(v1.byteLength) // 64
console.log(v2.byteLength) // 4
console.log(v1.length) // 64
console.log(v2.length) // 2
//TypedArray.prototype.byteOffset
console.log(v1.byteOffset) // 0
console.log(v2.byteOffset) // 2

TypedArray.prototype.set()

TypedArray数组的set方法用于复制数组（普通数组或TypedArray数组），也就是将一段内容完全复制到另一段内存，可以用第二个参数指定复制到目标数组的哪个位置。

var a = new Uint16Array(2);
a[0] = 8;
a[1] = 7;
var b = new Uint16Array(4);
var c = [1,2];
//c复制到b的开始
b.set(c);
//b将接收到的a保存到自己的第2个位置及以后
b.set(a, 2);
console.log(b);//Uint16Array { '0': 1, '1': 2, '2': 8, '3': 7 }
//a和b是两段独立的内存，互不影响
a[0] = 6;
a[1] = 5;
console.log(b);//Uint16Array { '0': 1, '1': 2, '2': 8, '3': 7 }

TypedArray.prototype.subarray()

subarray方法是对于TypedArray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

TypedArray.prototype.slice()

TypeArray实例的slice方法，可以返回一个指定位置的新的TypedArray实例。

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

TypedArray.of()

TypedArray数组的所有构造函数，都有一个静态方法of，用于将参数转为一个TypedArray实例。

//TypedArray.of()
var a = Float32Array.of(0.151, -8, 3.7);
console.log(a);
// Float32Array [ 0.151, -8, 3.7 ]

TypedArray.from()

静态方法from接受一个可遍历的数据结构（比如数组）作为参数，返回一个基于这个结构的TypedArray实例。

Uint16Array.from([0, 1, 2])// Uint16Array [ 0, 1, 2 ]
//这个方法还可以将一种TypedArray实例，转为另一种。
var ui16 = Uint16Array.from(Uint8Array.of(0, 1, 2));
ui16 instanceof Uint16Array // true

from方法还可以接受一个函数，作为第二个参数，用来对每个元素进行遍历，功能类似map方法。

//这里溢出了
Int8Array.of(127, 126, 125).map(x => 2 * x)
// Int8Array [ -2, -4, -6 ]
//这里的值并没有溢出
//这说明遍历不是针对原来的8位整数数组
//from会将第一个参数指定的TypedArray数组，拷贝到另一段内存之中
//处理之后再将结果转成指定的数组格式
Int16Array.from(Int8Array.of(127, 126, 125), x => 2 * x)
// Int16Array [ 254, 252, 250 ]

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);
//字节0到字节3：1个32位无符号整数
var idView = new Uint32Array(buffer, 0, 1);
//字节4到字节19：16个8位整数
var usernameView = new Uint8Array(buffer, 4, 16);
//字节20到字节23：1个32位浮点数
var amountDueView = new Float32Array(buffer, 20, 1);

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.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
这几个方法是一样的
有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。

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);
// 小端字节序
var v4 = dv.getUint16(1, true);
// 大端字节序
var v5 = dv.getUint16(3, false);
// 大端字节序
var v6 = dv.getUint16(3);

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。

// 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);

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

传统上，服务器通过AJAX操作只能返回文本数据，即responseType属性默认为text。XMLHttpRequest第二版XHR2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。
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TypedArray数组。

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，上面代码的uint8ClampedArray虽然是一个TypedArray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。

WebSocket

WebSocket可以通过ArrayBuffer，发送或接收二进制数据。

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取回的数据，就是ArrayBuffer对象。

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

File API

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ArrayBuffer对象。

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