💴 [ECMASCript6]29. ArrayBuffer

ArrayBuffer对象

ArrayBuffer对象、TypedArray视图和DataView视图是 JavaScript 操作二进制数据的一个接口。这些对象早就存在，属于独立的规格（2011 年 2 月发布），ES6 将它们纳入了 ECMAScript 规格，并且增加了新的方法。它们都是以数组的语法处理二进制数据，所以统称为二进制数组。

这个接口的原始设计目的，与 WebGL 项目有关。所谓 WebGL，就是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。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。这时要是存在一种机制，可以像 C 语言那样，直接操作字节，将 4 个字节的 32 位整数，以二进制形式原封不动地送入显卡，脚本的性能就会大幅提升。

二进制数组由三类对象组成。

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：可以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。

简单说，ArrayBuffer对象代表原始的二进制数据，TypedArray视图用来读写简单类型的二进制数据，DataView视图用来读写复杂类型的二进制数据。

TypedArray视图支持的数据类型一共有 9 种（DataView视图支持除Uint8C以外的其他 8 种）。

DataView视图

如果一段数据包括多种类型（比如服务器传来的 HTTP 数据），这时除了建立ArrayBuffer对象的复合视图以外，还可以通过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。本来，在设计目的上，ArrayBuffer对象的各种TypedArray视图，是用来向网卡、声卡之类的本机设备传送数据，所以使用本机的字节序就可以了；而DataView视图的设计目的，是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的。

DataView实例有以下属性，含义与TypedArray实例的同名方法相同。

DataView实例提供10个方法读取内存。

二进制数组的应用

服务器通过 AJAX 操作只能返回文本数据，即responseType属性默认为text。XMLHttpRequest第二版XHR2允许服务器返回二进制数据，这时分成两种情况。如果明确知道返回的二进制数据类型，可以把返回类型（responseType）设为arraybuffer；如果不知道，就设为blob。

如果知道传回来的是 32 位整数，可以像下面这样处理。

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";
  }
}

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;

需要注意的是，上面代码的uint8ClampedArray虽然是一个 TypedArray 数组，但是它的视图类型是一种针对Canvas元素的专有类型Uint8ClampedArray。这个视图类型的特点，就是专门针对颜色，把每个字节解读为无符号的 8 位整数，即只能取值 0 ～ 255，而且发生运算的时候自动过滤高位溢出。这为图像处理带来了巨大的方便。 3. 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;
  // ···
});

如果知道一个文件的二进制数据类型，也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;
  // ···
};

下面以处理 bmp 文件为例。假定file变量是一个指向 bmp 文件的文件对象，首先读取文件。

const reader = new FileReader();
reader.addEventListener("load", processimage, false);
reader.readAsArrayBuffer(file);

然后，定义处理图像的回调函数：先在二进制数据之上建立一个DataView视图，再建立一个bitmap对象，用于存放处理后的数据，最后将图像展示在Canvas元素之中。

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

具体处理图像数据时，先处理 bmp 的文件头。具体每个文件头的格式和定义，请参阅有关资料。

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);

接着处理图像元信息部分。

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);

最后处理图像本身的像素信息。

const start = bitmap.fileheader.bfOffBits;
bitmap.pixels = new Uint8Array(buffer, start);

至此，图像文件的数据全部处理完成。下一步，可以根据需要，进行图像变形，或者转换格式，或者展示在Canvas网页元素之中。

ShareArrayBuffer

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。每个线程的数据都是隔离的，通过postMessage()通信。

线程之间的数据交换可以是各种格式，不仅仅是字符串，也可以是二进制数据。这种交换采用的是复制机制，即一个进程将需要分享的数据复制一份，通过postMessage方法交给另一个进程。如果数据量比较大，这种通信的效率显然比较低。很容易想到，这时可以留出一块内存区域，由主线程与 Worker 线程共享，两方都可以读写，那么就会大大提高效率，协作起来也会比较简单（不像postMessage那么麻烦）。

ES2017 引入SharedArrayBuffer，允许 Worker 线程与主线程共享同一块内存。SharedArrayBuffer的 API 与ArrayBuffer一模一样，唯一的区别是后者无法共享数据。

Atomics

多线程共享内存，最大的问题就是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。 Atomics对象提供多种方法。

store()方法用来向共享内存写入数据，load()方法用来从共享内存读出数据。比起直接的读写操作，它们的好处是保证了读写操作的原子性。

此外，它们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。这时，必须保证该位置的赋值操作，一定是在它前面的所有可能会改写内存的操作结束后执行；而该位置的取值操作，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。store()方法和load()方法就能做到这一点，编译器不会为了优化，而打乱机器指令的执行顺序。

Worker 线程如果要写入数据，可以使用上面的Atomics.store()方法，也可以使用Atomics.exchange()方法。它们的区别是，Atomics.store()返回写入的值，而Atomics.exchange()返回被替换的值。

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()两个方法用于等待通知。这两个方法相当于锁内存，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.add(sharedArray, index, value)
Atomics.sub(sharedArray, index, value)
Atomics.and(sharedArray, index, value)
Atomics.or(sharedArray, index, value)
Atomics.xor(sharedArray, index, value)

Atomics对象还有以下方法。

Atomics.compareExchange的一个用途是，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。