ES6标准入门(第 3 版)
26.3 TypedArray视图
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ES6 ArrayBuffer

概述

ArrayBuffer 对象

TypedArray视图

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。

构造函数有多种用法。

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

同一个ArrayBuffer对象之上,可以根据不同的数据类型,建立多个视图。

// 创建一个8字节的ArrayBuffer
const 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
const 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
const 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
const v3 = new Int16Array(b, 2, 2);

上面代码在一段长度为 8 个字节的内存(b)之上,生成了三个视图:v1v2v3

视图的构造函数可以接受三个参数:

  • 第一个参数(必需):视图对应的底层ArrayBuffer对象。
  • 第二个参数(可选):视图开始的字节序号,默认从 0 开始。
  • 第三个参数(可选):视图包含的数据个数,默认直到本段内存区域结束。

因此,v1v2v3是重叠的:v1[0]是一个 32 位整数,指向字节 0 ~字节 3;v2[0]是一个 8 位无符号整数,指向字节 2;v3[0]是一个 16 位整数,指向字节 2 ~字节 3。只要任何一个视图对内存有所修改,就会在另外两个视图上反应出来。

注意,byteOffset必须与所要建立的数据类型一致,否则会报错。

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

上面代码中,新生成一个 8 个字节的ArrayBuffer对象,然后在这个对象的第一个字节,建立带符号的 16 位整数视图,结果报错。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。

(2)TypedArray(length)

视图还可以不通过ArrayBuffer对象,直接分配内存而生成。

const f64a = new Float64Array(8);
f64a[0] = 10;
f64a[1] = 20;
f64a[2] = f64a[0] + f64a[1];

上面代码生成一个 8 个成员的Float64Array数组(共 64 字节),然后依次对每个成员赋值。这时,视图构造函数的参数就是成员的个数。可以看到,视图数组的赋值操作与普通数组的操作毫无两样。

(3)TypedArray(typedArray)

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

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

上面代码中,Int8Array构造函数接受一个Uint8Array实例作为参数。

注意,此时生成的新数组,只是复制了参数数组的值,对应的底层内存是不一样的。新数组会开辟一段新的内存储存数据,不会在原数组的内存之上建立视图。

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

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

上面代码中,数组y是以数组x为模板而生成的,当x变动的时候,y并没有变动。

如果想基于同一段内存,构造不同的视图,可以采用下面的写法。

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

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

(4)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。

const typedArray = new Uint8Array([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。

const normalArray = [...typedArray];
// or
const normalArray = Array.from(typedArray);
// or
const normalArray = Array.prototype.slice.call(typedArray);

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()

上面所有方法的用法,请参阅数组方法的介绍,这里不再重复了。

注意,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) {
    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 = Uint8Array.of(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。

const buffer = new ArrayBuffer(16);
const int32View = new Int32Array(buffer);

for (let i = 0; i < int32View.length; i++) {
  int32View[i] = i * 2;
}

上面代码生成一个 16 字节的ArrayBuffer对象,然后在它的基础上,建立了一个 32 位整数的视图。由于每个 32 位整数占据 4 个字节,所以一共可以写入 4 个整数,依次为 0,2,4,6。

如果在这段数据上接着建立一个 16 位整数的视图,则可以读出完全不一样的结果。

const int16View = new Int16Array(buffer);

for (let 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

由于每个 16 位整数占据 2 个字节,所以整个ArrayBuffer对象现在分成 8 段。然后,由于 x86 体系的计算机都采用小端字节序(little endian),相对重要的字节排在后面的内存地址,相对不重要字节排在前面的内存地址,所以就得到了上面的结果。

比如,一个占据四个字节的 16 进制数0x12345678,决定其大小的最重要的字节是“12”,最不重要的是“78”。小端字节序将最不重要的字节排在前面,储存顺序就是78563412;大端字节序则完全相反,将最重要的字节排在前面,储存顺序就是12345678。目前,所有个人电脑几乎都是小端字节序,所以 TypedArray 数组内部也采用小端字节序读写数据,或者更准确的说,按照本机操作系统设定的字节序读写数据。

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,下文会详细介绍。

下面是另一个例子。

// 假定某段buffer包含如下字节 [0x02, 0x01, 0x03, 0x07]
const buffer = new ArrayBuffer(4);
const v1 = new Uint8Array(buffer);
v1[0] = 2;
v1[1] = 1;
v1[2] = 3;
v1[3] = 7;

const uInt16View = new Uint16Array(buffer);

// 计算机采用小端字节序
// 所以头两个字节等于258
if (uInt16View[0] === 258) {
  console.log('OK'); // "OK"
}

// 赋值运算
uInt16View[0] = 255;    // 字节变为[0xFF, 0x00, 0x03, 0x07]
uInt16View[0] = 0xff05; // 字节变为[0x05, 0xFF, 0x03, 0x07]
uInt16View[1] = 0x0210; // 字节变为[0x05, 0xFF, 0x10, 0x02]

下面的函数可以用来判断,当前视图是小端字节序,还是大端字节序。

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');
  }
}

总之,与普通数组相比,TypedArray 数组的最大优点就是可以直接操作内存,不需要数据类型转换,所以速度快得多。

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。

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

这个属性在 TypedArray 实例上也能获取,即有TypedArray.prototype.BYTES_PER_ELEMENT

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) {
  // 注意,如果是大型二进制数组,为了避免溢出,
  // 必须一个一个字符地转
  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) {
  const buf = new ArrayBuffer(str.length * 2); // 每个字符占用2个字节
  const bufView = new Uint16Array(buf);
  for (let i = 0, strLen = str.length; i < strLen; i++) {
    bufView[i] = str.charCodeAt(i);
  }
  return 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。

const uint8 = new Uint8Array(1);

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

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

上面代码中,uint8是一个 8 位视图,而 256 的二进制形式是一个 9 位的值100000000,这时就会发生溢出。根据规则,只会保留后 8 位,即00000000uint8视图的解释规则是无符号的 8 位整数,所以00000000就是0

负数在计算机内部采用“2 的补码”表示,也就是说,将对应的正数值进行否运算,然后加1。比如,-1对应的正值是1,进行否运算以后,得到11111110,再加上1就是补码形式11111111uint8按照无符号的 8 位整数解释11111111,返回结果就是255

一个简单转换规则,可以这样表示。

  • 正向溢出(overflow):当输入值大于当前数据类型的最大值,结果等于当前数据类型的最小值加上余值,再减去 1。
  • 负向溢出(underflow):当输入值小于当前数据类型的最小值,结果等于当前数据类型的最大值减去余值,再加上 1。

上面的“余值”就是模运算的结果,即 JavaScript 里面的%运算符的结果。

12 % 4 // 0
12 % 5 // 2

上面代码中,12 除以 4 是没有余值的,而除以 5 会得到余值 2。

请看下面的例子。

const int8 = new Int8Array(1);

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

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

上面例子中,int8是一个带符号的 8 位整数视图,它的最大值是 127,最小值是-128。输入值为128时,相当于正向溢出1,根据“最小值加上余值(128 除以 127 的余值是 1),再减去 1”的规则,就会返回-128;输入值为-129时,相当于负向溢出1,根据“最大值减去余值(-129 除以-128 的余值是 1),再加上 1”的规则,就会返回127

Uint8ClampedArray视图的溢出规则,与上面的规则不同。它规定,凡是发生正向溢出,该值一律等于当前数据类型的最大值,即 255;如果发生负向溢出,该值一律等于当前数据类型的最小值,即 0。

const uint8c = new Uint8ClampedArray(1);

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

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

上面例子中,uint8C是一个Uint8ClampedArray视图,正向溢出时都返回 255,负向溢出都返回 0。

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。

const a = new Float32Array(64);
const 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

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。

const b = new ArrayBuffer(8);

const v1 = new Int32Array(b);
const v2 = new Uint8Array(b, 2);
const 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属性表示 TypedArray 数组含有多少个成员。注意将byteLength属性和length属性区分,前者是字节长度,后者是成员长度。

const a = new Int16Array(8);

a.length // 8
a.byteLength // 16

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。

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

b.set(a);

上面代码复制a数组的内容到b数组,它是整段内存的复制,比一个个拷贝成员的那种复制快得多。

set方法还可以接受第二个参数,表示从b对象的哪一个成员开始复制a对象。

const a = new Uint16Array(8);
const b = new Uint16Array(10);

b.set(a, 2)

上面代码的b数组比a数组多两个成员,所以从b[2]开始复制。

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。

const a = new Uint16Array(8);
const b = a.subarray(2,3);

a.byteLength // 16
b.byteLength // 2

subarray方法的第一个参数是起始的成员序号,第二个参数是结束的成员序号(不含该成员),如果省略则包含剩余的全部成员。所以,上面代码的a.subarray(2,3),意味着 b 只包含a[2]一个成员,字节长度为 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 ]

上面代码中,ui8是 8 位无符号整数数组视图的一个实例。它的slice方法可以从当前视图之中,返回一个新的视图实例。

slice方法的参数,表示原数组的具体位置,开始生成新数组。负值表示逆向的位置,即-1 为倒数第一个位置,-2 表示倒数第二个位置,以此类推。

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。

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

下面三种方法都会生成同样一个 TypedArray 数组。

// 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()

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。

const 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。

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方法没有发生溢出,这说明遍历不是针对原来的 8 位整数数组。也就是说,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。

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