ArrayBuffer

ArrayBuffer 对象、TypedArray 视图和 DataView 视图是 JavaScript 操作二进制数据的一个接口。以数组的语法处理二进制数据，所以统称为二进制数组。

背景：原始设计目的，与 WebGL 项目有关。WebGL，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。

原因：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。直接操作字节，将 4 个字节的 32 位整数，以二进制形式直接传入显卡，能大幅提高性能。

二进制数组由三类对象组成

（1）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。

（2）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。

（3）DataView 视图：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。

总结：

ArrayBuffer 对象：代表原始的二进制数据

TypedArray 视图：读写简单类型的二进制数据

DataView 视图：读写复杂类型的二进制数据

注意，二进制数组并不是真正的数组，而是类似数组的对象

浏览器操作的 API，用到了二进制数组操作二进制数据

• Canvas
• Fetch API
• File API
• WebSockets
• XMLHttpRequest

ArrayBuffer 对象

概述

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

视图作用：以指定格式解读二进制数据

ArrayBuffer 是一个构造函数，可以分配一段存放数据的连续内存区域。参数是所需内存大小（单位字节）

const buf = new ArrayBuffer(32)

生产 32 字节内存区域，每个字节默认值为 0

通过 DateView 读取这段内容，DateView 需要提供 ArrayBuffer 对象实例作为参数

const buf = new ArrayBuffer(32)
const dataView = new DataView(buf)
dataView.getUint8(0) // 0

另一种 TypedArray 视图，与 DataView 视图的一个区别是，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

const buffer = new ArrayBuffer(4)
// 00 00 00 00

const x1 = new Int32Array(buffer)
x1[0] = 1024
// 00 04 00 00
// 0x0400 => 1024

const x2 = new Int8Array(buffer)
x2[0] = 1
x2[1] = 2
x2[2] = 3
// 01 02 03 00
// 0x030201 => 197121

基于同一段内存，建立两种视图：32 位带符号整数，8 位无符号整数。两个视图对应同一段内存，一个视图修改底层内存会影响到另一个视图。

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

const typedArray = new Uint8Array([0, 1, 2])
typedArray.length // 3

typedArray[0] = 5
typedArray // [5, 1, 2]

ArrayBuffer.prototype.byteLength

ArrayBuffer 实例 byteLength 属性：返回所分配的内存区域的字节长度

const buffer = new ArrayBuffer(32)
buffer.byteLength
// 32

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

if (buffer.byteLength === n) {
  // 成功
} else {
  // 失败
}

ArrayBuffer.prototype.slice

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

const buffer = new ArrayBuffer(8)
const newBuffer = buffer.slice(0, 3)

从 0 开始，到第 3 个字节（不包括），生成一个新 ArrayBuffer。两个步骤，分配新内存，拷贝值。

注意：除了 slice 方法，ArrayBuffer 对象不提供任何直接读写内存方法，只允许建立视图，然后通过视图读写

ArrayBuffer.isView

静态方法 isView：参数是否为 ArrayBuffer 的视图实例，返回一个布尔值

const buffer = new ArrayBuffer(8)
ArrayBuffer.isView(buffer) // false

const v = new Int32Array(buffer)
ArrayBuffer.isView(v) // true

相当于判断参数，是否为 TypedArray 实例或 DataView 实例

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）。

TypedArray 视图一共包括 9 种类型，每一种视图都是一种构造函数。

	说明	长度
Int8Array	8 位有符号整数	1 字节
Uint8Array	8 位无符号整数	1 字节
Uint8ClampedArray	8 位无符号整数	1 字节（溢出处理不同）
Int16Array	6 位有符号整数	2 字节
Uint16Array	16 位无符号整数	2 字节
Int32Array	32 位有符号整数	4 字节
Uint32Array	32 位无符号整数	4 字节
Float32Array	32 位浮点数	4 字节
Float64Array	64 位浮点数	8 字节

9 个构造函数生成的数组，统称为 TypedArray 视图，与普通数组类似，主要差距如下

1. TypedArray 数组的所有成员，都是同一种类型
2. TypedArray 数组的成员是连续，没有空位
3. TypedArray 数组成员的默认值为 0

new Array(10) // 10个空位
new Uint8Array(10) // 10个0

4. TypedArray 数组本身不储存数据，它只是一层视图，操作存储在 ArrayBuffer 的数据。获取底层对象必须使用 buffer 属性

构造函数

构造函数有多种用法

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

buffer（必填）：视图对应底层 ArrayBuffer 对象

byteOffset：视图开始的字节序号，默认从 0 开始

length：视图包含的数据个数，默认直到本段内存区域结束

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)

// v1[0] 00 00 00 00
// v2[0] __ __ 00 __
// v3[0] __ __ 00 00

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

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。

（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]

（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))

注意：生成的新数组，只是复制了参数数组的值，底层内存不一样。新数组会开辟新的内存存储数据，不会再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

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。

基于一段内存，采用下面写法

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)

构造函数参数是一个普通数组，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。

TypedArray 数组转换回普通数组

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

但是 TypedArray 数组没有 concat 方法。合并多个 TypedArray 数组，写法如下

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]

TypedArray 数组与普通数组一样，部署了 Iterator 接口

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
}

x86 体系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

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”。

小端字节序存储：78563412

大端字节序存储：12345678

网络设备和特定的操作系统采用的是大端字节序。

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

解决：JavaScript 引入 DataView 对象，可以设定字节序

// 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
// 0x02 0x01 小端 0x0102 = 256+2 = 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]

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')
  }
}

BYTES_PER_ELEMENT 属性

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
Uint8ClampedArray.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

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 和字符串的相互转换，使用原生 TextEncoder 和 TextDecoder 方法

/**
 * Convert ArrayBuffer/TypedArray to String via TextDecoder
 *
 * @see https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Web/API/TextDecoder
 */
function ab2str(
  input: ArrayBuffer | Uint8Array | Int8Array | Uint16Array | Int16Array | Uint32Array | Int32Array,
  outputEncoding: string = 'utf8'
): string {
  const decoder = new TextDecoder(outputEncoding)
  return decoder.decode(input)
}

/**
 * Convert String to ArrayBuffer via TextEncoder
 *
 * @see https://developer.mozilla.org/zh-CN/docs/Web/API/TextEncoder
 */
function str2ab(input: string): ArrayBuffer {
  const view = str2Uint8Array(input)
  return view.buffer
}

/** Convert String to Uint8Array */
function str2Uint8Array(input: string): Uint8Array {
  const encoder = new TextEncoder()
  const view = encoder.encode(input)
  return view
}

encode 参考 [2]

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。

TypedArray 溢出处理规则：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
// 1 0000 0000
uint8[0] // 0

// 0000 0001
// 1111 1110
// 1111 1111
uint8[0] = -1
uint8[0] // 255

---

补充：原码、反码、补码 [3]

原码：符号位加上真值的绝对值

[+1]原 = 0000 0001

[-1]原 = 1000 0001

反码：正数反码是其本身。负数反码，在原码基础上，符号位不变，其余位按位取反。

[+1] = [00000001]原 = [00000001]反

[-1] = [10000001]原 = [11111110]反

补码：正数补码就是其本身。负数补码，在原码基础上，符号位不变，其余位按位取反，再+1 ( 即反码 + 1)

[+1] = [00000001]原 = [00000001]反 = [00000001]补

[-1] = [10000001]原 = [11111110]反 = [11111111]补

---

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的绝对值，再加上 1

余值：模运算（%）的结果，如下。

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

下面的例子

const int8 = new Int8Array(1)
// [-128, 127]
// [11111111, 01111111]

int8[0] = 128
// 余值: 128 % 127 = 1
// -128 + 1 - 1
int8[0] // -128

int8[0] = -129
// 余值：128 % -129 = | -1 | = 1
// 127 - 1 + 1 = 127
int8[0] // 127

Uint8ClampedArray 视图溢出规则，与上面的规则不同。

正向溢出：一律为该类型最大值，255

负向溢出：一律为该类型最小值，0

TypedArray.prototype.buffer

实例 buffer 属性：返回整段内存区域对应的 ArrayBuffer 对象

const a = new Float32Array(64)
const b = new Uint8Array(a.buffer)

a 和 b 对应同一段内存

TypedArray.prototype.byteLength，TypedArray.prototype.byteOffset

byteLength 属性：返回 TypedArray 占据的内存长度，单位为字节

byteOffset 属性：返回 TypedArray 从底层 ArrayBuffer 哪个字节开始

byteLength 和 byteOffset 均为只读属性

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： TypedArray 数组含有多少个成员

const a = new Int16Array(8)

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

length 属性和 byteLength 属性区分，前者是成员长度，后者是字节长度

TypedArray.prototype.set()

set 方法：复制数组（普通数组 或 TypedArray）

优势：整段内存复制，比拷贝成员的方式快

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

b.set(a)

第二参数：从哪个位置开始复制

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

b.set(a, 2)

上述代码：表示从 b2 开始复制

TypedArray.prototype.subarray()

subarray 方法：以 TypedArray 的一部分，再建立一个新的视图。

参数 1：起始的成员序号

参数 2：结束的成员序号（不含该成员）

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

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

TypedArray.prototype.slice()

slice 方法：返回一个指定位置的新的 TypedArray 实例

参数：从哪个位置开始生成新数组，负值表示逆向的位置

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

TypedArray.of()

静态方法 of：将参数转为一个 TypedArray 实例

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

以下三种方法类似

// 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：接受可遍历的数据结构（比如数组）作为参数，返回对应的 TypedArray 实例

Uint16Array.from([0, 1, 2])
// Uint16Array [ 0, 1, 2 ]

接受函数作为第二参数，用来遍历元素，与 map 类似

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 ]

注意：from 方法没有发生溢出，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，再将结果转成指定的数组格式

案例：将一种 TypedArray 实例，转为另一种 TypeArray 实例

const ui16 = Uint16Array.from(Uint8Array.of(0, 1, 2))
ui16 instanceof Uint16Array // true

复合视图

视图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”

const buffer = new ArrayBuffer(24)

const idView = new Uint32Array(buffer, 0, 1)
const usernameView = new Uint8Array(buffer, 4, 16)
const amountDueView = new Float32Array(buffer, 20, 1)

24 字节 ArrayBuffer 分为三个部分

Uint32Array：0 - 3

UintArray：4 - 19

Float32Array：20 - 23

可以用如下 C 语言表示

struct someStruct {
  unsigned long id;
  char username[16];
  float amountDue;
};

DataView 视图

如果一段数据包括多种类型，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

TypedArray 和 DataView 的区别：

TypedArray 视图：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

DataView 视图：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

DataView 视图本身也是构造函数，接受一个 ArrayBuffer 对象作为参数，生成视图

new DataView(ArrayBuffer buffer [, 字节起始位置 [, 长度]]);

DateView 实例属性

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

DataView 读取方法

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。

get 方法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

const buffer = new ArrayBuffer(24)
const dv = new DataView(buffer)

// 从第1个字节读取一个8位无符号整数
const v1 = dv.getUint8(0)

// 从第2个字节读取一个16位无符号整数
const v2 = dv.getUint16(1)

// 从第4个字节读取一个16位无符号整数
const v3 = dv.getUint16(3)

上面代码读取 ArrayBuffer 前 5 个字节

一次读取两个或两个以上字节，就必须明确数据的存储方式，到底是小端字节序还是大端字节序。默认为大端字节。

// 小端字节序
const v1 = dv.getUint16(1, true)

// 大端字节序
const v2 = dv.getUint16(3, false)

// 大端字节序
const v3 = dv.getUint16(3)

DataView 写入方法

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。

set 方法，接受两个参数，第一个参数是字节序号，表示从哪个字节开始写入，第二个参数为写入的数据。第三参数可以设置字节序，默认为大端序。

// 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)

判断字节序函数 ( DateView 版 )

const littleEndian = (function () {
  const buffer = new ArrayBuffer(2)
  new DataView(buffer).setInt16(0, 256, true)
  return new Int16Array(buffer)[0] === 256
})()

返回 true，小端字节序，返回 false 为大端字节序。

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。第二版 XHR2 允许服务器返回二进制数据，把返回类型设为 arraybuffer，接受返回的二进制数据类型；如果不知道，就设为 blob。

let xhr = new XMLHttpRequest()
xhr.open('GET', someUrl)
xhr.responseType = 'arraybuffer'

xhr.onload = function () {
  let arrayBuffer = xhr.response
  // ···
}

xhr.send()

处理 32 位二进制数据

xhr.onreadystatechange = function () {
  if (req.readyState === 4) {
    const arrayResponse = xhr.response
    const dataView = new DataView(arrayResponse)
    const 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

const canvas = document.getElementById('myCanvas')
const ctx = canvas.getContext('2d')

const imageData = ctx.getImageData(0, 0, canvas.width, canvas.height)
const uint8ClampedArray = imageData.data

uint8ClampedArray 虽然是一个 TypedArray 数组，但它的视图类型是一种针对 Canvas 元素的专有类型 Uint8ClampedArray

Uint8ClampedArray 视图：专门针对颜色，把每个字节解读为无符号的 8 位整数

1. 只能取值 0 ～ 255
2. 自动过滤高位溢出，确保将小于 0 的值设为 0，将大于 255 的值设为 255。

当像素颜色为 Uint8Array 类型，乘 gamma，需要做溢出处理

u8[i] = Math.min(255, Math.max(0, u8[i] * gamma))

WebSocket

WebSocket 可以通过 ArrayBuffer，发送或接收二进制数据

let 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
  const typedArray = new Uint8Array(4)
  socket.send(typedArray.buffer)
})

// Receive binary data
socket.addEventListener('message', function (event) {
  const arrayBuffer = event.data
  // ···
})

Fetch API

Fetch API 取回的数据，就是 ArrayBuffer 对象。

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

File API

一个文件的二进制数据类型，可以将这个文件读取为ArrayBuffer对象。

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

以处理 bmp 文件为例，file 变量是一个指向 bmp 文件的文件对象

1. 首先读取文件
2. 定义处理图像回调函数
3. 图像展示在 canvas

const reader = new FileReader()
// 监听文件加载
reader.addEventListener('load', processimage, false)
// 读取文件
reader.readAsArrayBuffer(file)

function processimage(e) {
  const buffer = e.target.result
  const datav = new DataView(buffer)
  const bitmap = {}
  // 具体的处理步骤
}

图像数据处理时，具体参考 [4]

1. 先处理 bmp 的文件头
2. 处理图像元信息部分
3. 图像本身的像素信息

SharedArrayBuffer

JavaScript 是单线程的，Web worker 引入了多线程.

主线程用来与用户互动，Worker 线程用来承担计算任务。

// 主线程
const w = new Worker('myworker.js')

上述代码，主线程新建了一个 Worker 线程。

主线程

发送数据：主线程通过 w.postMessage 向 Worker 线程发消息

接受数据：通过 message 事件监听 Worker 线程的回应

// 主线程
w.postMessage('hi')
w.onmessage = function (ev) {
  console.log(ev.data)
}

Worker 线程

发送数据：通过 postMessage 方法

接受数据：通过监听 message 事件，来获取主线程发来的消息

// Worker 线程
onmessage = function (ev) {
  console.log(ev.data)
  postMessage('ho')
}

线程之间的数据交换可以是各种格式（字符串、二进制）。

交换方式：复制机制，即一个进程将分享数据复制，通过 postMessage 方法交给另一个进程。

问题：数据量比较大，这种通信效率比较低

解决：留出一块内存区域，由主线程与 Worker 线程共享，两方都可以读写

ES2017 引入 SharedArrayBuffer，允许 Worker 线程与主线程共享同一块内存

// 主线程

// 新建 1KB 共享内存
const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(1024)

// 主线程将共享内存的地址发送出去
w.postMessage(sharedBuffer)

// 在共享内存上建立视图，供写入数据
const sharedArray = new Int32Array(sharedBuffer)

Worker 线程从事件的 data 属性上面取到数据

// Worker 线程
onmessage = function (ev) {
  // 主线程共享的数据，就是 1KB 的共享内存
  const sharedBuffer = ev.data

  // 在共享内存上建立视图，方便读写
  const sharedArray = new Int32Array(sharedBuffer)

  // ...
}

共享内存也可以在 Worker 线程创建，发给主线程

SharedArrayBuffer 与 ArrayBuffer 一样，本身是无法读写的，必须在上面建立视图，然后通过视图读写

// 分配 10 万个 32 位整数占据的内存空间
const sab = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT * 100000)

// 建立 32 位整数视图
const ia = new Int32Array(sab) // ia.length == 100000

// 新建一个质数生成器
const primes = new PrimeGenerator()

// 将 10 万个质数，写入这段内存空间
for (let i = 0; i < ia.length; i++) ia[i] = primes.next()

// 向 Worker 线程发送这段共享内存
w.postMessage(ia)

Worker 线程处理书籍

// Worker 线程
let ia
onmessage = function (ev) {
  ia = ev.data
  console.log(ia.length) // 100000
  console.log(ia[37]) // 输出 163，因为这是第38个质数
}

Atomics 对象

多线程共享内存最大的问题：如何防止两个线程同时修改某个地址，或者说，当一个线程修改共享内存以后，必须有一个机制让其他线程同步

SharedArrayBuffer API 提供 Atomics 对象，保证所有共享内存的操作都是“原子性”的，并且可以在所有线程内同步

原子性操作

一条普通的命令被编译器处理以后，会变成多条机器指令。如果是单线程运行，这是没有问题的；多线程环境并且共享内存时，就会出问题，因为这一组机器指令的运行期间，可能会插入其他线程的指令，从而导致运行结果出错

例子 1

// 主线程
ia[42] = 314159 // 原先的值 191
ia[37] = 123456 // 原先的值 163

// Worker 线程
console.log(ia[37])
console.log(ia[42])
// 可能的结果
// 123456
// 191

代码分析，主线程的原始顺序是先对 42 号位置赋值，再对 37 号位置赋值。编译器和 CPU 为了优化，可能会改变这两个操作的执行顺序（因为它们互不依赖）。可能在赋值过程中，Worker 线程就来读取数据，导致打印：123456 和 191

例子 2

// 主线程
const sab = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT * 100000)
const ia = new Int32Array(sab)

for (let i = 0; i < ia.length; i++) {
  ia[i] = primes.next() // 将质数放入 ia
}

// worker 线程
ia[112]++ // 错误
Atomics.add(ia, 112, 1) // 正确

Worker 线程直接改写共享内存 ia[112]++是不正确的，这行语句会被编译成多条机器指令，这些指令之间无法保证不会插入其他进程的指令。

解决：Atomics 对象可以保证一个操作所对应的多条机器指令，一定是作为一个整体运行的，中间不会被打断。

Atomics.store()，Atomics.load()

store()方法：向共享内存写入数据

load()方法：从共享内存读出数据

优点：保证读写操作原子性

还用来解决一个问题：多个线程使用共享内存的某个位置作为开关（flag），一旦该位置的值变了，就执行特定操作。保证赋值操作，在它前面的所有可能会改写内存的操作结束后执行。保证取值操作，一定是在它后面所有可能会读取该位置的操作开始之前执行

Atomics.load(typedArray, index)
Atomics.store(typedArray, index, value)

// 主线程 main.js
ia[42] = 314159 // 原先的值 191
Atomics.store(ia, 37, 123456) // 原先的值是 163

// Worker 线程 worker.js
while (Atomics.load(ia, 37) == 163);
console.log(ia[37]) // 123456
console.log(ia[42]) // 314159

另一个例子，主线程用 Atomics.store 写入数据

// 主线程
const worker = new Worker('worker.js')
const length = 10
const size = Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT * length
// 新建一段共享内存
const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(size)
const sharedArray = new Int32Array(sharedBuffer)
for (let i = 0; i < 10; i++) {
  // 向共享内存写入 10 个整数
  Atomics.store(sharedArray, i, 0)
}
worker.postMessage(sharedBuffer)

Worker 线程用 Atomics.load()方法读取数据

// worker.js
self.addEventListener(
  'message',
  (event) => {
    const sharedArray = new Int32Array(event.data)
    for (let i = 0; i < 10; i++) {
      const arrayValue = Atomics.load(sharedArray, i)
      console.log(`The item at array index ${i} is ${arrayValue}`)
    }
  },
  false
)

Atomics.exchange()

与 Atomics.store 区别：Atomics.store()返回写入的值，而 Atomics.exchange()返回被替换的值

// Worker 线程
self.addEventListener(
  'message',
  (event) => {
    const sharedArray = new Int32Array(event.data)
    for (let i = 0; i < 10; i++) {
      if (i % 2 === 0) {
        const storedValue = Atomics.store(sharedArray, i, 1)
        console.log(`The item at array index ${i} is now ${storedValue}`)
      } else {
        const exchangedValue = Atomics.exchange(sharedArray, i, 2)
        console.log(`The item at array index ${i} was ${exchangedValue}, now 2`)
      }
    }
  },
  false
)

Atomics.wait()，Atomics.notify()

使用 while 循环等待主线程的通知，不是很高效，如果用在主线程，就会造成卡顿.

Atomics 对象提供了 wait()和 notify() 用于等待通知

相当于锁内存，即在一个线程进行操作时，让其他线程休眠（建立锁），等到操作结束，再唤醒那些休眠的线程（解除锁）

Atomics.notify()方法以前叫做 Atomics.wake()，现在进行改名

// Worker 线程
self.addEventListener(
  'message',
  (event) => {
    const sharedArray = new Int32Array(event.data)
    const arrayIndex = 0
    const expectedStoredValue = 50
    Atomics.wait(sharedArray, arrayIndex, expectedStoredValue)
    console.log(Atomics.load(sharedArray, arrayIndex))
  },
  false
)

Atomics.wait()方法等同于告诉 Worker 线程，只要满足给定条件（sharedArray 的 0 号位置等于 50），就在这一行 Worker 线程进入休眠

Atomics.wait(sharedArray, index, value, timeout)

参数说明

• sharedArray：共享内存的视图数组

• index：视图数据的位置（从 0 开始）

• value：该位置的预期值。一旦实际值等于预期值，就进入休眠

• timeout：整数，表示过了这个时间以后，就自动唤醒，单位毫秒。该参数可选，默认值是 Infinity，即无限期的休眠，只有通过 Atomics.notify()方法才能唤醒

返回值：一个字符串，有三种可能

1. not-equal：sharedArray[index]不等于 value
2. timed-out：not-equal
3. ok：Atomics.notify()方法唤醒

Atomics.notify(sharedArray, index, count)

参数说明

• sharedArray：共享内存的视图数组

• index：视图数据的位置（从 0 开始）

• count：需要唤醒的 Worker 线程的数量，默认为 Infinity

Atomics.notify()方法一旦唤醒休眠的 Worker 线程，就会让它继续往下运行

例子

// 主线程
console.log(ia[37]) // 163
Atomics.store(ia, 37, 123456)
Atomics.notify(ia, 37, 1)

// Worker 线程
Atomics.wait(ia, 37, 163)
console.log(ia[37]) // 123456

基于 wait 和 notify 这两个方法的锁内存实现，参考[5]

运算方法

共享内存上面的某些运算是不能被打断的，即不能在运算过程中，让其他线程改写内存上面的值。

Atomics 对象提供了一些运算方法，防止数据被改写

Atomics.add(sharedArray, index, value)
Atomics.sub(sharedArray, index, value)
Atomics.and(sharedArray, index, value)
Atomics.or(sharedArray, index, value)
Atomics.xor(sharedArray, index, value)

以上方法，默认返回旧的值

其他方法

Atomics对象还有以下方法

Atomics.compareExchange(sharedArray, index, oldval, newval)：如果sharedArray[index]等于oldval，就写入newval，返回oldval。

Atomics.isLockFree(size)：返回一个布尔值，表示Atomics对象是否可以处理某个size的内存锁定。如果返回false，应用程序就需要自己来实现锁定。

Atomics.compareExchange一个用途是，从 SharedArrayBuffer 读取一个值，然后对该值进行某个操作，操作结束以后，检查一下 SharedArrayBuffer 里面原来那个值是否发生变化（即被其他线程改写过）。如果没有改写过，就将它写回原来的位置，否则读取新的值，再重头进行一次操作。

相关链接

[1] ArrayBuffer

[2] supported_encodings

[3] 原码、补码、反码

[4] bmp 文件处理

[5] js-lock-and-condition