JavaScript 之 ArrayBuffer
JS裡的ArrayBuffer
還記得某個晚上在做 canvas 畫素級操作，發現儲存畫素的資料格式並不是Array型別，而是ArrayBuffer，心想這是什麼鬼？後來查了一些資料，發現自己這半年來的JS是白學了，竟然才知道還有這麼個東東。
首先，這個 ArrayBuffer 型別化陣列，型別化陣列是JavaScript操作二進位制資料的一個介面。最初為了滿足JavaScript與顯示卡之間大量的、實時的資料交換，它們之間的資料通訊必須是二進位制的，而不能是傳統的文字格式的背景下誕生的。
分配記憶體
型別化陣列是建立在ArrayBuffer物件的基礎上的。它的作用是，分配一段可以存放資料的連續記憶體區域。
var bf = new ArrayBuffer(40); // 生成了位元組長度為40的記憶體區域
//通過提供的 byteLength 屬性返回分配位元組的長度
console.log(bf.byteLength); // 40
/*
值得注意的是如果要分配的記憶體區域很大，有可能分配失敗（因為沒有那麼多的連續空餘記憶體），所以有必要檢查是否分配成功。
*/ArrayBuffer物件有一個slice方法，允許將記憶體區域的一部分，拷貝生成一個新的ArrayBuffer物件。
const bf = new ArrayBuffer(40); const newBf = bf.slice(0, 10); // 從0 - 9 不包括 10
- 上面程式碼拷貝buffer物件的前10個位元組，生成一個新的ArrayBuffer物件。slice方法其實包含兩步，第一步是先分配一段新記憶體，第二步是將原來那個ArrayBuffer物件拷貝過去。
- slice方法接受兩個引數，第一個引數表示拷貝開始的位元組序號，第二個引數表示拷貝截止的位元組序號。如果省略第二個引數，則預設到原ArrayBuffer物件的結尾。
- 除了slice方法，ArrayBuffer物件不提供任何直接讀寫記憶體的方法，只允許在其上方建立檢視，然後通過檢視讀寫。
檢視的生成
ArrayBuffer作為記憶體區域，可以存放多種型別的資料。不同資料有不同的儲存方式，這就叫做“檢視”。目前，JavaScript提供以下型別的檢視：
- Int8Array：8位有符號整數，長度1個位元組。
- Uint8Array：8位無符號整數，長度1個位元組。
- Int16Array：16位有符號整數，長度2個位元組。
- Uint16Array：16位無符號整數，長度2個位元組。
- Int32Array：32位有符號整數，長度4個位元組。
- Uint32Array：32位無符號整數，長度4個位元組。
- Float32Array：32位浮點數，長度4個位元組。
- Float64Array：64位浮點數，長度8個位元組。
每一種檢視都有一個BYTES_PER_ELEMENT常數，表示這種資料型別佔據的位元組數。
Int8Array.BYTES_PER_ELEMENT // 1
Uint8Array.BYTES_PER_ELEMENT // 1
//...每一種檢視都是一個建構函式，有多種方法可以生成：
// 瀏覽器控制檯輸出：
> Int32Array
> function Int32Array() { [native code] }01 在ArrayBuffer物件之上生成檢視
同一個ArrayBuffer物件之上，可以根據不同的資料型別，建立多個檢視。
// 建立一個8位元組的ArrayBuffer
var b = new ArrayBuffer(8);
// 建立一個指向b的Int32檢視，開始於位元組0，直到緩衝區的末尾
var v1 = new Int32Array(b);
// 建立一個指向b的Uint8檢視，開始於位元組2，直到緩衝區的末尾
var v2 = new Uint8Array(b, 2);
// 建立一個指向b的Int16檢視，開始於位元組2，長度為2
var v3 = new Int16Array(b, 2, 2);上面程式碼在一段長度為8個位元組的記憶體（b）之上，生成了三個檢視：v1、v2和v3。檢視的建構函式可以接受三個引數：
- 第一個引數：檢視對應的底層ArrayBuffer物件，該引數是必需的。
- 第二個引數：檢視開始的位元組序號，預設從0開始。
- 第三個引數：檢視包含的資料個數，預設直到本段記憶體區域結束。
值得注意的是：v1、v2和v3是重疊：v1[0]是一個32位整數，指向位元組0～位元組3；v2[0]是一個8位無符號整數，指向位元組2；v3[0]是一個16位整數，指向位元組2～位元組3。只要任何一個檢視對記憶體有所修改，就會在另外兩個檢視上反應出來。
02 直接生成
檢視還可以不通過ArrayBuffer物件，直接分配記憶體而生成。
var f64a = new Float64Array(8);
f64a[0] = 10;
f64a[1] = 20;
f64a[2] = f64a[0] + f64a[1];上面程式碼生成一個8個成員的Float64Array陣列（共64位元組），然後依次對每個成員賦值。這時，檢視建構函式的引數就是成員的個數。可以看到，檢視陣列的賦值操作與普通陣列的操作毫無兩樣。
03 將普通陣列轉為檢視陣列
var typedArray = new Uint8Array( [ 1, 2, 3, 4 ] );也可以將檢視直接轉化為陣列
Array.from(typeArray);
// Array.apply([],typeArray);03 檢視的操作
建立了檢視以後，就可以進行各種操作了。這裡需要明確的是，檢視其實就是普通陣列，語法完全沒有什麼不同，只不過它直接針對記憶體進行操作，而且每個成員都有確定的資料型別。所以，檢視就被叫做“型別化陣列”
普通陣列的操作方法和屬性，對型別化陣列完全適用。
var buffer = new ArrayBuffer(16);
var int32View = new Int32Array(buffer);
for (var i=0; i<int32View.length; i++) {
int32View[i] = i*2;
}普通陣列的操作方法和屬性，對型別化陣列完全適用。
var buffer = new ArrayBuffer(16);
var int32View = new Int32Array(buffer);
for (var i=0; i<int32View.length; i++) {
int32View[i] = i*2;
}04 buffer屬性
型別化陣列的buffer屬性，返回整段記憶體區域對應的ArrayBuffer物件。該屬性為只讀屬性。
var bf = new Uint8Array([1,2,3,4]);
bf.buffer; // ArrayBuffer {}byteLength屬性和byteOffset屬性
byteLength屬性返回型別化陣列佔據的記憶體長度，單位為位元組。byteOffset屬性返回型別化陣列從底層ArrayBuffer物件的哪個位元組開始。這兩個屬性都是隻讀屬性。
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，前者是位元組長度，後者是成員長度。
05 set方法
型別化陣列的set方法用於複製陣列，也就是將一段內容完全複製到另一段記憶體。
var a = new Uint8Array(8);
var b = new Uint8Array(8);
b.set(a);上面程式碼複製a陣列的內容到b陣列，它是整段記憶體的複製，比一個個拷貝成員的那種複製快得多。set方法還可以接受第二個引數，表示從b物件哪一個成員開始複製a物件。
var a = new Uint16Array(8);
var b = new Uint16Array(10);
b.set(a,2)上面程式碼的b陣列比a陣列多兩個成員，所以從b[2]開始複製。
06 subarray方法
subarray方法是對於型別化陣列的一部分，再建立一個新的檢視。
var a = new Uint16Array(8);
var b = a.subarray(2,3);
a.byteLength // 16
b.byteLength // 2subarray方法的第一個引數是起始的成員序號，第二個引數是結束的成員序號（不含該成員），如果省略則包含剩餘的全部成員。所以，上面程式碼的a.subarray(2,3)，意味著b只包含a[2]一個成員，位元組長度為2。
07 ArrayBuffer與字串的互相轉換
ArrayBuffer轉為字串，或者字串轉為ArrayBuffer，有一個前提，即字串的編碼方法是確定的。假定字串採用UTF-16編碼（JavaScript的內部編碼方式），可以自己編寫轉換函式。
// ArrayBuffer轉為字串，引數為ArrayBuffer物件
function ab2str(buf) {
return String.fromCharCode.apply(null, new Uint16Array(buf));
}
// 字串轉為ArrayBuffer物件，引數為字串
function str2ab(str) {
var buf = new ArrayBuffer(str.length*2); // 每個字元佔用2個位元組
var bufView = new Uint16Array(buf);
for (var i=0, strLen=str.length; i<strLen; i++) {
bufView[i] = str.charCodeAt(i);
}
return buf;
}
複合檢視
由於檢視的建構函式可以指定起始位置和長度，所以在同一段記憶體之中，可以依次存放不同型別的資料，這叫做“複合檢視”。
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);面程式碼將一個24位元組長度的ArrayBuffer物件，分成三個部分：
- 位元組0到位元組3：1個32位無符號整數
- 位元組4到位元組19：16個8位整數
- 位元組20到位元組23：1個32位浮點數
DataView檢視
如果一段資料包括多種型別（比如伺服器傳來的HTTP資料），這時除了建立ArrayBuffer物件的複合檢視以外，還可以通過DataView檢視進行操作。
DataView檢視提供更多操作選項，而且支援設定位元組序。本來，在設計目的上，ArrayBuffer物件的各種型別化檢視，是用來向網絡卡、音效卡之類的本機裝置傳送資料，所以使用本機的位元組序就可以了；而DataView的設計目的，是用來處理網路裝置傳來的資料，所以大端位元組序或小端位元組序是可以自行設定的。
DataView本身也是建構函式，接受一個ArrayBuffer物件作為引數，生成檢視。
DataView(ArrayBuffer buffer [, 位元組起始位置 [, 長度]]);
var buffer = new ArrayBuffer(24);
var dv = new DataView(buffer);DataView檢視提供以下方法讀取記憶體：
- getInt8：讀取1個位元組，返回一個8位整數。
- getUint8：讀取1個位元組，返回一個無符號的8位整數。
- getInt16：讀取2個位元組，返回一個16位整數。
- getUint16：讀取2個位元組，返回一個無符號的16位整數。
- getInt32：讀取4個位元組，返回一個32位整數。
- getUint32：讀取4個位元組，返回一個無符號的32位整數。
- getFloat32：讀取4個位元組，返回一個32位浮點數。
- getFloat64：讀取8個位元組，返回一個64位浮點數。
這一系列get方法的引數都是一個位元組序號，表示從哪個位元組開始讀取。
var buffer = new ArrayBuffer(24);
var dv = new DataView(buffer);
// 從第1個位元組讀取一個8位無符號整數
var v1 = dv.getUint8(0);
// 從第2個位元組讀取一個16位無符號整數
var v2 = dv.getUint16(1);
// 從第4個位元組讀取一個16位無符號整數
var v3 = dv.getUint16(3);上面程式碼讀取了ArrayBuffer物件的前5個位元組，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位元組，就必須明確資料的儲存方式，到底是小端位元組序還是大端位元組序。預設情況下，DataView的get方法使用大端位元組序解讀資料，如果需要使用小端位元組序解讀，必須在get方法的第二個引數指定true。
// 小端位元組序
var v1 = dv.getUint16(1, true);
// 大端位元組序
var v2 = dv.getUint16(3, false);
// 大端位元組序
var v3 = dv.getUint16(3);DataView檢視提供以下方法寫入記憶體：
- setInt8：寫入1個位元組的8位整數。
- setUint8：寫入1個位元組的8位無符號整數。
- setInt16：寫入2個位元組的16位整數。
- setUint16：寫入2個位元組的16位無符號整數。
- setInt32：寫入4個位元組的32位整數。
- setUint32：寫入4個位元組的32位無符號整數。
- setFloat32：寫入4個位元組的32位浮點數。
- setFloat64：寫入8個位元組的64位浮點數。
這一系列set方法，接受兩個引數，第一個引數是位元組序號，表示從哪個位元組開始寫入，第二個引數為寫入的資料。對於那些寫入兩個或兩個以上位元組的方法，需要指定第三個引數，false或者undefined表示使用大端位元組序寫入，true表示使用小端位元組序寫入。
// 在第1個位元組，以大端位元組序寫入值為25的32位整數
dv.setInt32(0, 25, false);
// 在第5個位元組，以大端位元組序寫入值為25的32位整數
dv.setInt32(4, 25);
// 在第9個位元組，以小端位元組序寫入值為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位元組序，可以採用下面的判斷方式。
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，就是小端位元組序；如果返回false，就是大端位元組序。
應用
Ajax
傳統上，伺服器通過Ajax操作只能返回文字資料。XMLHttpRequest 第二版允許伺服器返回二進位制資料，這時分成兩種情況。如果明確知道返回的二進位制資料型別，可以把返回型別（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元素輸出的二進位制畫素資料，就是型別化陣列。
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，上面程式碼的typedArray雖然是一個型別化陣列，但是它的檢視型別是一種針對Canvas元素的專有型別Uint8ClampedArray。這個檢視型別的特點，就是專門針對顏色，把每個位元組解讀為無符號的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位。這為影象處理帶來了巨大的方便。
舉例來說，如果把畫素的顏色值設為Uint8Array型別，那麼乘以一個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型別對於大於255的運算結果（比如0xFF+1），會自動變為0x00，所以影象處理必須要像上面這樣算。這樣做很麻煩，而且影響效能。如果將顏色值設為Uint8ClampedArray型別，計算就簡化許多。
pixels[i] *= gamma;
Uint8ClampedArray型別確保將小於0的值設為0，將大於255的值設為255。注意，IE 10不支援該型別。
File
如果知道一個檔案的二進位制資料型別，也可以將這個檔案讀取為型別化陣列。
reader.readAsArrayBuffer(file);
下面以處理bmp檔案為例。假定file變數是一個指向bmp檔案的檔案物件，首先讀取檔案。
var reader = new FileReader();
reader.addEventListener("load", processimage, false);
reader.readAsArrayBuffer(file);然後，定義處理影象的回撥函式：先在二進位制資料之上建立一個DataView檢視，再建立一個bitmap物件，用於存放處理後的資料，最後將影象展示在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
}具體處理影象資料時，先處理bmp的檔案頭。具體每個檔案頭的格式和定義，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);接著處理影象元資訊部分。
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);最後處理影象本身的畫素資訊。
var start = bitmap.fileheader.bfOffBits;
bitmap.pixels = new Uint8Array(buffer, start);至此，影象檔案的資料全部處理完成。下一步，可以根據需要，進行影象變形，或者轉換格式，或者展示在Canvas網頁元素之中。