遇见Javascript类型数组

        我在Chrome的最新动态里提到了Typed Arrays（Typed Array，类型数组）这个概念，可能对很多人来说非常陌生，那么它是什么，又有什么用途呢？

之前的问题

        Web应用程序变得越来越强大，例如新增了音视频处理、WebSocket等多个功能特性。毫无疑问，如果Javascript能够快速方便的操作原始二进制数据会相当的有用。过去，我们必须要把原始数据当作字符串来处理，并且使用charCodeAt方法来从数据缓冲区中读取字节。

        但是这种方法需要多次转换数据（尤其在二进制数据不是字节格式的数据时，例如32位整数或者浮点数），所以非常慢而且容易出错。

        Javascript需要一种机制来更有效的访问原始的二进制数据，由此产生了类型数组。

定义

        其实除了Javascript，类型数组在其他很多语言中也有。它是一种数组，只有一种变量的类型。例如，一个float类型的数组将只包含浮点数而不能混用字符串和浮点数。此外，一个类型数组在初始化后不能改变大小。它看起来形式和普通Javascript数组很像，但是数据格式是一致和同一类型的（例如声音或者像素点的缓冲数据）。

        类型数组的规范参见这里。这个规范实质上定义了一种arrayBuffer类型，相当于一个普通的定长二进制缓冲区。我们不能直接访问和操作arrayBuffer的内容，而需要类型数组来创建arrayBuffer的视图（从技术上来说，类型数组等同于arrayBuffer，因为它们本质上是一样的）。例如，要访问32位有符号整数数组作为缓冲区，会创建一个Int32Array的类型数组来指向arrayBuffer。

        多个类型数组视图可以指向同一个arrayBuffer，采用不同的类型、不同的长度以及不同的位移。例如下面的代码：

 

// 创建一个8字节的ArrayBuffer var b = new ArrayBuffer(8); // 创建一个指向b的视图v1，采用Int32类型，开始于默认的字节索引0，直到缓冲区的末尾 var v1 = new Int32Array(b); // 创建一个指向b的视图v2，采用Uint8类型，开始于字节索引2，直到缓冲区的末尾 var v2 = new Uint8Array(b, 2); // 创建一个指向b的视图v3，采用Int16类型，开始于字节索引2，长度为2 var v3 = new Int16Array(b, 2, 2);

 

        上述代码里变量的数据结构如下所示。

变量的数据结构

        类型数组包括以下几种类型：

名称	大小 (以字节为单位)	说明
Int8Array	1	8位有符号整数
Uint8Array	1	8位无符号整数
Int16Array	2	16位有符号整数
Uint16Array	2	16位无符号整数
Int32Array	4	32位有符号整数
Uint32Array	4	32位无符号整数
Float32Array	4	32位浮点数
Float64Array	8	64位浮点数

 

        类型数组实际上目前是作为WebGL的一部分来实现的（和它相关的还有File API），但是它可以用在任何地方。

        下面我们来谈谈类型数组的优点和用途。

优点

1、  性能优秀

        所有类型数组相关的文档都提到的重要一点是，类型数组比传统数组快的多，具有非常好的性能。因为类型数组实际上是作为一个固定的内存块来进行访问的，而传统的普通Javascript数组使用的是Hash查找方式（因为元素长度不定）。

        这里有一个简单的测试结果，在Firefox4 Beta1版本，我们对比了一个普通数组和Float32Array数组在操作1亿个元素时每种操作所花费的时间。这个测试运行在Win7 64位、4G内存和Intel双核1.3G CPU的平台上。我们运行这个测试8次并使用其中最慢的一个时间。需要指出的是，普通Javascript数组的写入操作经常花费超过10秒钟，这会导致出现运行缓慢的脚本对话框。

操作	普通数组	Float32Array
写	8947	1455
读	1948	1109
循环复制	>10,000	1969
片段复制	1125	503

        下面我们有一个关于普通数组、类型数组（arrayBuffer）以及imageData之间性能的比较，可以看到arrayBuffer会快得多。

 

性能优异的arrayBuffer

        其实在类型数组之前，Javascript也支持二进制字节的数组，这就是imageData。imageData是Canvas元素2D上下文环境里定义的数据类型。当在Canvas 2D里调用getImageData或者createImageData方法时就创建了imageData。imageData的data属性是一个字节数组，它实际大小是图片宽*高的四倍（因为每个像素有R、G、B、A四个通道）。之前我们在《用HTML5创建超酷图像灰度渐变效果》这篇文章里就用到了imageData。

        从图表数据来看，imageData和arrayBuffer在多个浏览器里创建的性能远远高于普通的数组（数据来源）。不过这里有一个问题，后面将会提到。

        可以想见，因为优秀的性能表现，类型数组可以广泛的应用于Javascript图像以及视频的处理和压缩，还有一些需要复杂运算的场景例如MD5计算中，让功能可以更快速更高效的完成。例如我们先把imageData转换为类型数组以换取更快的执行速度，如下面的代码：

var canvas = document.getElementById('canvas');

var canvasWidth  = canvas.width;

var canvasHeight = canvas.height;

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

var imageData = ctx.getImageData(0,0, canvasWidth, canvasHeight);

 

var buf =new ArrayBuffer(imageData.data.length);

var data =new Uint32Array(buf);

 

for(var y =0; y < canvasHeight;++y){

    for(var x =0; x < canvasWidth;++x){

        var value = x * y &0xff;

 

        data[y * canvasWidth + x]=

            (255   <<24)|    // alpha

            (value <<16)|    // blue

            (value <<  8)|    // green

             value;            // red

    }

}

        另外一方面，因为类型数组可以显著增加HTML5 Canvas 2D Web App的性能，所以这一特性对于使用HTML5来创建Web游戏的开发者会非常重要。

        下面是两个使用类型数组的示例。

        第一个是Energy2D的演示，用于对比普通数组和类型数组的性能，大家可以自行体验。

 

Energy2D演示

        第二个示例是使用类型数组、FileAPI以及Web Workers实现的SHA1在线计算器，它的性能相当出色。正是在类型数组的支持下，Javascript执行SHA1、MD5这样复杂运算的速度变得越来越快。

类型数组支持的在线SHA1计算器

 

2、  二进制支持

        上文曾经提到类型数组最主要的特点是支持二进制数据。的确，现在HTMl5的许多API涉及音视频和实时通信，这些功能经常依赖于二进制文件格式，例如MP3音频、MP4视频和PNG图像。二进制格式对于减少带宽，提高性能，以及与现有文件格式互相转换来说非常重要。

        类型数组使得Web应用可以使用多种二进制文件格式和直接操作文件的二进制内容，例如从现有的媒体文件中提取数据。

        在IE10上，已经提供了类型数组的支持（支持WebGL其实是微软非常纠结的事情）。我们可以看看微软所提供的二进制文件检测器的例子：

        在这个示例里，我们可以获取音乐文件的ID3头，视频文件的原始字节数据，以及附加文件的格式。它的核心代码如下：

 

function getHexChunk(buffer, startAt) { var chunkLength = Math.min(CHUNK_SIZE, buffer.byteLength - startAt) var uints = new Uint8Array(buffer, startAt, chunkLength); var rowString = ""; for (var row = 0; row < uints.length; row += 16) { var remaining = uints.length - row; rowString += intToHexString(row + startAt, 8); rowString += " "; for (var offset = 0; offset < 8 ; offset++) { if (offset < remaining) rowString += intToHexString(uints[row + offset], 2) + " "; else rowString += " "; } rowString += " "; for (; offset < 16; offset++) { if (offset < remaining) rowString += intToHexString(uints[row + offset], 2) + " "; else rowString += " "; } rowString += " "; for (var offset = 0; offset < 8; offset++) { rowString += charForInt(uints[row + offset]); } for (; offset < 16; offset++) { rowString += charForInt(uints[row + offset]); } rowString += "\n"; } return rowString; }

 

        页面上文件的二进制格式输出就是用这段代码实现的。

具体应用

        这里有一个使用类型数组在Canvas图像和二进制数据之间互相转换，然后通过WebSocket发送的示例。作者提到“在我实现二进制WebSocket示例时，我学习了很多Javascript类型数组的知识，了解了如何把对象转换为二进制数据。我写了一个示例来获取Canvas图像数据，并且把它通过二进制的WebSocket连接发送出去。WebSocket服务器获取图像数据，然后把它发送给所有连接的客户端（宇捷：这让我想起了最近国外非常火爆的超人气应用DrawSomething-你画我猜，我们可以用这种方式实现类似的WebApp），然后客户端再把Canvas数据还原为PNG图片。采用这种方式发送图像数据比起base64编码来更有效率（数据小33%，而且更利于序列化和存储）。”

创造了历史的应用-你画我猜

        WebSocket支持二进制数据传输，对于WebSocket服务器来说，使用二进制数据会比UTF-8更为简单，不过现在浏览器支持方面还有问题。

        示例里实现将Canvas数据转换为二进制格式的代码如下：

 

imagedata = context.getImageData(0, 0, imagewidth,imageheight); var canvaspixelarray = imagedata.data; var canvaspixellen = canvaspixelarray.length; var bytearray = new Uint8Array(canvaspixellen); for (var i=0;i<canvaspixellen;++i) { bytearray[i] = canvaspixelarray[i]; }

 

        而把二进制数据还原为图像的代码如下，请注意我们不能直接从arrayBuffer获取数据直接放到Canvas中。

 

var bytearray =new Uint8Array(event.data); var tempcanvas = document.createElement('canvas'); tempcanvas.height= imageheight; tempcanvas.width= imagewidth; var tempcontext = tempcanvas.getContext('2d'); var imgdata = tempcontext.getImageData(0,0,imagewidth,imageheight); var imgdatalen = imgdata.data.length; for(var i=8;i<imgdatalen;i++) { imgdata.data[i]= bytearray[i]; } tempcontext.putImageData(imgdata,0,0);

 

        在Adobe的官网上，也有一个类似的完整示例：《Real Time Data Exchange in HTML5 with WebSocket》。可以看到里面利用类型数组发送图片的代码如下：

 

function sendphoto() { imagedata = context.getImageData(0, 0, imagewidth,imageheight); var canvaspixelarray = imagedata.data; var canvaspixellen = canvaspixelarray.length; var bytearray = new Uint8Array(canvaspixellen); for (var i=0;i<canvaspixellen;++i) { bytearray[i] = canvaspixelarray[i]; } connection.send(bytearray.buffer); context.fillStyle = '#ffffff'; context.fillRect(0, 0, imagewidth,imageheight); }

 

疑问

        理论上来看，类型数组的性能毫无疑问比普通数组更快，但是根据《现代浏览器里类型数组的性能》一文中的评测，可以看到某些操作和某些浏览器下，类型数组的性能反而更低，另外imageData和ArrayBuffer的性能在同一浏览器中还有不同的表现。这个现象让人困惑，因为imageData和ArrayBuffer其实就是为了性能敏感的功能诞生的，理论上能够提供更快的读取和写入速度。这有极大可能是目前浏览器厂商对于二进制数组优化不足造成的。我希望浏览器未来对于类型数组能有更好的支持。

 

某些操作和浏览器下，类型数组性能反而更低

总结

        随着HTML5 Canvas、WebSocket等新特性的出现，WebApp能做的事情越来越多，同时Web App对于性能要求也越来越高，Javascript类型数组正是在这种情况下应运而生的。随着IE、Chrome、Opera等主流浏览器逐步提供对它的全面支持，以及可预期的性能优化，它将会发挥越来越重要的作用。