JavaScript之typed arrays那些事儿

[FrankKai]

主要参考这篇文章：https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Web/JavaScript/Typed_arrays

• typed arrays基本介绍
• Buffers和views：typed array 架构
• typed arrays的Web API
• typed array使用例子

[FrankKai]

typed arrays基本介绍

• js中的typed arrays是类数组对象，主要用来处理未加工过的二进制数据
• 元素为对象的数组，是非常灵活的，可以动态收缩并且可以存放任意js类型的数据。因为js引擎会做优化，所以这些数组才会足够快
• 随着web应用的成长越来越快，而且复杂度越来越高，增加了一些新特性：audio或video的操作；使用WebSocket收发未经过加工的二进制数据等等，因此通过js的typed array容易且快速的操作未经加工的二进制数据就变得很重要，可以在更深层次或者说更细粒度对数据做控制
• typed array不能与普通的array混淆，通过Array.isArray()检测typed array的话，会返回false
• typed array不会继承所有array的方法，例如push，pop就在typed array中不能使用

[FrankKai]

Buffers和views：typed array 架构

• 为了最大程度提高灵活性和有效性，js中的typed array 分为buffers和views两种。
• buffer（通过ArrayBuffer类实现）指的是一个数据块对象；buffer没有固定的格式；buffer中的内容是不能访问到的。
• 为了获得buffer中内存的访问权限，需要用到view；view提供了一个上下文（包括数据类型，初始位置，元素数量），这个上下文将数据转换为typed array。
• 通过下面这张图可以发现：同一个buffer可以通过不同的view来反应数据存储情况
  

ArrayBuffer

• ArrayBuffer是一种特殊的数据类型，代表着一个通用的、固定长度的二进制数据缓冲区。
• 不能直接修改ArrayBuffer中的内容，需要通过创建一个typed array的view或者DataView去修改。因为view或者DataView是一种特殊格式的buffer，从而读写buffer中的内容。

Typed array views

• Typed array views有自描述名字，为Int8，Uint32，Float64等多种常见数字类型提供了view。
• 有一种特殊的typed array view Uint8ClampedArray，它将数值严格限制在0到255之间，这个类型在canvas data processing 方面很有用，因为canvas的getImageData()返回的ImageData，而ImageData实例是由Uint8ClampedArray和image的大小组成，在node 标准库常用语法中有相关资料
• 目前主要有11种typed array view。不同类型的typed array views，主要在4个方面有差异：Value Range，Size in bytes，Web IDL types以及等价的C语言中的数据类型。例如：Int8Array typed array view，value range是-128到127，字节大小是1 byte，Web IDL type是byte，等价C语言中的int8_t类型。

扩展：
1.什么是Web IDL type
interface definition language，用来描述打算在web浏览器中实现的interface。

DataView

• DataView是一个更底层的接口，它提供了读写缓冲区中二进制数据的getter/setter。
• 用来处理不同类型数据很有用，例如typed array views采用平台的原生字节顺序（可以查看Endianness。）但是通过DataView，我们可以调整字节顺序，默认情况字节顺序是大端模式，可以通过DataView的api调整为小端模式
• ArrayBuffer构造器new DataView(buffer [, byteOffset [, byteLength]]),buffer是ArrayBuffer实例，byteOffset是新DataView的偏移量，byteLength是新DataView的字节长度。
• DataView上，setInt16的第二个参数怎么理解?view.setInt16(1, 32767); // (max signed 16-bit integer)，值。

// create an ArrayBuffer with a size in bytes
var buffer = new ArrayBuffer(16);
// Create a couple of views
var view1 = new DataView(buffer);
var view2 = new DataView(buffer,12,4); //from byte 12 for the next 4 bytes
view1.setInt8(12, 42); // put 42 in slot 12
console.log(view1.buffer);
console.log(view2.buffer);
console.log(view1.getInt8(12));
console.log(view2.getInt8(0));

new DataView(buffer).setInt16(0, 256, true)怎么理解？
true是littleEndian，也就是小端模式，低位数据存储在低地址，Int16Array uses the platform's endianness。

扩展：
1.什么是Endianness
内存存储的大小端模式。
所谓大端模式，指的是低位数据高地址，0x12345678，12存buf[0]，78（低位数据）存buf[3]（高地址）。也就是常规的正序存储。
小端模式与大端模式相反。0x12345678，78存在buf[0]，存在低地址。

[FrankKai]

typed arrays的Web API

使用了typed array的web api有以下这些。

• FileReader.prototype.readAsArrayBuffer()
  之前接触过FileReader的readAsDataURL()，读取Blob或者File对象，在reader.result上输出base64格式的字符串。
  readAsArrayBuffer()方法也是读取File或者Blob对象的内容。
  和readAsDataUR()类似，读取Blob或者File对象完毕后，readyState值变为DONE，loadend事件触发，在reader.result属性上包含代表file data的ArrayBuffer。也可以直接用blob.arrayBuffer()得到blob的二进制数据并且以promise的方式处理。blob.arrayBuffer().then(buffer => /* 处理ArrayBuffer */)
• XMLHttpRequest.prototype.send()支持发送typed arrays 和ArrayBuffer对象作为入参
  XMLHttpRequest.send(body) body支持多种数据body。Document（序列化的）；BodyInit：包括Blob，BufferSource，FormData，URLSearchParams，ReadableStream或者USVString object。规范中写明了其算法：https://fetch.spec.whatwg.org/#bodyinit。其中有一步是设置对象类型，切换Content-Type为对象的MIME类型。
  IDL的定义如下：

interface mixin Body {
  readonly attribute ReadableStream? body;
  readonly attribute boolean bodyUsed;
  [NewObject] Promise<ArrayBuffer> arrayBuffer();
  [NewObject] Promise<Blob> blob();
  [NewObject] Promise<FormData> formData();
  [NewObject] Promise<any> json();
  [NewObject] Promise<USVString> text();
};

通过send方法发送二进制数据的最好方式是：ArrayBufferView或Blob。

拓展：interface mixin Body{}怎么理解？
引出一个很有趣的东西。interCaps。

Rule: Use interCaps for naming.
All methods and attributes should begin with a lowercase letter. Every subsequent word in the method or attribute name should be capitalized. Avoid capitalizing first letters and using underscores to separate words.
Why: IDL usually follows Java and JavaScript convention, which is intercaps.
In addition, the first letter of all names are promoted to upper case in C++. The C++ signature is the same whether or not the first letter is capitalized.

IDL通常用js或者java实现。此处的interface mixin是java实现。

• ImageData.data
  它是一个一维Uint8ClampedArray类型的数组，数据内容是按照RGBA顺序排列的数据，它的值在0到255之间。

如何将 typedArray 转换为普通数组

处理完typed array以后，很多情况下会将其转换为普通数组。
可以使用Array.from做转换。或者使用以下代码转换。

let typedArray = new Uint8Array([1, 2, 3, 4]);
let normalArray = Array.from(typedArray);

let typedArray = new Uint8Array([1, 2, 3, 4]),
    normalArray = Array.prototype.slice.call(typedArray);
normalArray.length === 4;
normalArray.constructor === Array;

[FrankKai]

typed array使用例子

使用带buffer（缓冲区）的view（视图）

// 创建一个16字节定长的buffer
let buffer = new ArrayBuffer(16);

此处会用到通信原理中学到的：1byte = 8bit。（1个字节等于8个比特）
上图中的Int8，Int16，Int32，Uint8中的数字都是以bit为单位的。
其总空间为16*8 = 128bit。
因此Int8Array和Uint8Array类型的ArrayBuffer长度为16。
因此Int16Array类型的ArrayBuffer长度为8。
因此Int32Array类型的ArrayBuffer长度为4。
位数越大，说明ArrayBuffer中的一个0占用的内存空间越大。

// 此时对于一块初始字节数是0的内存，在这块内存上可以为所欲为
// 通过byteLength属性，可以获得一个buffer占用的字节内存空间
console.log(buffer.byteLength); // 16(bytes)

// 此时buffer是无法作用的，我们需要创建一个view
// 以下代码会创建一个将buffer中的数据转换为32-bit的有符号整型数组
let int32View = new Int32Array(buffer);

这里除了可以创建Int32Array的ArrayBufferView，还可以创建Int8Array，Uint8Array，Int16Array等等类型的ArrayBufferView。

// 可以像普通数组一样去遍历ArrayBufferView数组
int32View.forEach((e,i,arr)=>{ arr[i] = i; })// 0,1,2,3

这个数组有4个entry，每个entry占用4个byte（字节），所以总计16个字节。

处理复杂的数据结构

• 用多个不同类型的view联接1个单独的buffer，需要从一个buffer的不同offset开始。
• 可以与一个包含了多数据类型的data object交互。例如WebGL交互复杂数据结构；data files；或者C数据结构。

struct someStruct {
  unsigned long id; // long 32bit
  char username[16];// char 8bit
  float amountDue;// float 32bit
};

上面的C结构在js中可以这样定义：

let buffer = new ArrayBuffer(24);
// ... read the data into the buffer ...
let idView = new Uint32Array(buffer, 0, 1);
let usernameView = new Uint8Array(buffer, 4, 16);
let amountDueView = new Float32Array(buffer, 20, 1);

偏移量为什么是1，4，20？
因为32/8 = 4。0到3属于idView。
8/8 =1。4到19属于usernameView。
32/8 = 4。20到23属于amountView。

需要注意C语言的数据结构是与平台对齐的。因此C语言中的long，char，float具体占用多少bit，与平台有关。

扩展

1.Uint32Array(buffer, 0, 1)其中的0，1代表什么？
buffer：ArrayBuffer constructor。构造时固定。只读。
byteOffset：0代表从ArrayBuffer开始start位置的offset。构造时固定。只读。
length：ArrayBuffer中元素的个数。构造时固定。只读。
byteLength: ArrayBuffer占用空间的大小。构造时固定。只读。
2.length与byteLength区别是什么？

var buffer = new ArrayBuffer(16);
var int32View = new Int32Array(buffer);
int32View.length; // 4
int32View.byteLength; // 16