# ArrayBuffer，二进制数组

在 Web 开发中，当我们处理文件时（创建，上传，下载），经常会遇到二进制数据。另一个典型的应用场景是图像处理。

这些都可以通过 JavaScript 进行处理，而且二进制操作性能更高。

不过，在 JavaScript 中有很多种二进制数据格式，会有点容易混淆。仅举几个例子：
- `ArrayBuffer`，`Uint8Array`，`DataView`，`Blob`，`File` 及其他。

与其他语言相比，JavaScript 中的二进制数据是以非标准方式实现的。但是，当我们理清楚以后，一切就会变得相当简单了。

**基本的二进制对象是 `ArrayBuffer` —— 对固定长度的连续内存空间的引用。**

我们这样创建它：
```js run
let buffer = new ArrayBuffer(16); // 创建一个长度为 16 的 buffer
alert(buffer.byteLength); // 16
```

它会分配一个 16 字节的连续内存空间，并用 0 进行预填充。

```warn header="`ArrayBuffer` 不是某种东西的数组"
让我们先澄清一个可能的误区。`ArrayBuffer` 与 `Array` 没有任何共同之处：
- 它的长度是固定的，我们无法增加或减少它的长度。
- 它正好占用了内存中的那么多空间。
- 要访问单个字节，需要另一个“视图”对象，而不是 `buffer[index]`。
```

`ArrayBuffer` 是一个内存区域。它里面存储了什么？无从判断。只是一个原始的字节序列。

**如要操作 `ArrayBuffer`，我们需要使用“视图”对象。**

视图对象本身并不存储任何东西。它是一副“眼镜”，透过它来解释存储在 `ArrayBuffer` 中的字节。

例如：

- **`Uint8Array`** —— 将 `ArrayBuffer` 中的每个字节视为 0 到 255 之间的单个数字（每个字节是 8 位，因此只能容纳那么多）。这称为 “8 位无符号整数”。
- **`Uint16Array`** —— 将每 2 个字节视为一个 0 到 65535 之间的整数。这称为 “16 位无符号整数”。
- **`Uint32Array`** —— 将每 4 个字节视为一个 0 到 4294967295 之间的整数。这称为 “32 位无符号整数”。
- **`Float64Array`** —— 将每 8 个字节视为一个 <code>5.0x10<sup>-324</sup></code> 到 <code>1.8x10<sup>308</sup></code> 之间的浮点数。

因此，一个 16 字节 `ArrayBuffer` 中的二进制数据可以解释为 16 个“小数字”，或 8 个更大的数字（每个数字 2 个字节），或 4 个更大的数字（每个数字 4 个字节），或 2 个高精度的浮点数（每个数字 8 个字节）。

![](arraybuffer-views.svg)

`ArrayBuffer` 是核心对象，是所有的基础，是原始的二进制数据。

但是，如果我们要写入值或遍历它，基本上几乎所有操作 —— 我们必须使用视图（view），例如：

```js run
let buffer = new ArrayBuffer(16); // 创建一个长度为 16 的 buffer

*!*
let view = new Uint32Array(buffer); // 将 buffer 视为一个 32 位整数的序列

alert(Uint32Array.BYTES_PER_ELEMENT); // 每个整数 4 个字节
*/!*

alert(view.length); // 4，它存储了 4 个整数
alert(view.byteLength); // 16，字节中的大小

// 让我们写入一个值
view[0] = 123456;

// 遍历值
for(let num of view) {
  alert(num); // 123456，然后 0，0，0（一共 4 个值）
}

```

## TypedArray

所有这些视图（`Uint8Array`，`Uint32Array` 等）的通用术语是 [TypedArray](https://tc39.github.io/ecma262/#sec-typedarray-objects)。它们共享同一方法和属性集。

请注意，没有名为 `TypedArray` 的构造器，它只是表示 `ArrayBuffer` 上的视图之一的通用总称术语：`Int8Array`，`Uint8Array` 及其他，很快就会有完整列表。

当你看到 `new TypedArray` 之类的内容时，它表示 `new Int8Array`、`new Uint8Array` 及其他中之一。

类型化数组的行为类似于常规数组：具有索引，并且是可迭代的。

一个类型化数组的构造器（无论是 `Int8Array` 或 `Float64Array`，都无关紧要），其行为各不相同，并且取决于参数类型。

参数有 5 种变体：

```js
new TypedArray(buffer, [byteOffset], [length]);
new TypedArray(object);
new TypedArray(typedArray);
new TypedArray(length);
new TypedArray();
```

1. 如果给定的是 `ArrayBuffer` 参数，则会在其上创建视图。我们已经用过该语法了。

    可选，我们可以给定起始位置 `byteOffset`（默认为 0）以及 `length`（默认至 buffer 的末尾），这样视图将仅涵盖 `buffer` 的一部分。

2. 如果给定的是 `Array`，或任何类数组对象，则会创建一个相同长度的类型化数组，并复制其内容。

    我们可以使用它来预填充数组的数据：
    ```js run
    *!*
    let arr = new Uint8Array([0, 1, 2, 3]);
    */!*
    alert( arr.length ); // 4，创建了相同长度的二进制数组
    alert( arr[1] ); // 1，用给定值填充了 4 个字节（无符号 8 位整数）
    ```
3. 如果给定的是另一个 `TypedArray`，也是如此：创建一个相同长度的类型化数组，并复制其内容。如果需要的话，数据在此过程中会被转换为新的类型。
    ```js run
    let arr16 = new Uint16Array([1, 1000]);
    *!*
    let arr8 = new Uint8Array(arr16);
    */!*
    alert( arr8[0] ); // 1
    alert( arr8[1] ); // 232，试图复制 1000，但无法将 1000 放进 8 位字节中（详述见下文）。
    ```

4. 对于数字参数 `length` —— 创建类型化数组以包含这么多元素。它的字节长度将是 `length` 乘以单个 `TypedArray.BYTES_PER_ELEMENT` 中的字节数：
    ```js run
    let arr = new Uint16Array(4); // 为 4 个整数创建类型化数组
    alert( Uint16Array.BYTES_PER_ELEMENT ); // 每个整数 2 个字节
    alert( arr.byteLength ); // 8（字节中的大小）
    ```

5. 不带参数的情况下，创建长度为零的类型化数组。

我们可以直接创建一个 `TypedArray`，而无需提及 `ArrayBuffer`。但是，视图离不开底层的 `ArrayBuffer`，因此，除第一种情况（已提供 `ArrayBuffer`）外，其他所有情况都会自动创建 `ArrayBuffer`。

如要访问底层的 `ArrayBuffer`，那么在 `TypedArray` 中有如下的属性：
- `arr.buffer` —— 引用 `ArrayBuffer`。
- `arr.byteLength` —— `ArrayBuffer` 的长度。

因此，我们总是可以从一个视图转到另一个视图：
```js
let arr8 = new Uint8Array([0, 1, 2, 3]);

// 同一数据的另一个视图
let arr16 = new Uint16Array(arr8.buffer);
```


下面是类型化数组的列表：

- `Uint8Array`，`Uint16Array`，`Uint32Array` —— 用于 8、16 和 32 位的整数。
  - `Uint8ClampedArray` —— 用于 8 位整数，在赋值时便“固定“其值（见下文）。
- `Int8Array`，`Int16Array`，`Int32Array` —— 用于有符号整数（可以为负数）。
- `Float32Array`，`Float64Array` —— 用于 32 位和 64 位的有符号浮点数。

```warn header="没有 `int8` 或类似的单值类型"
请注意，尽管有类似 `Int8Array` 这样的名称，但 JavaScript 中并没有像 `int`，或 `int8` 这样的单值类型。

这是合乎逻辑的，因为 `Int8Array` 不是这些单值的数组，而是 `ArrayBuffer` 上的视图。
```

### 越界行为

如果我们尝试将越界值写入类型化数组会出现什么情况？不会报错。但是多余的位被切除。

例如，我们尝试将 256 放入 `Uint8Array`。256 的二进制格式是 `100000000`（9 位），但 `Uint8Array` 每个值只有 8 位，因此可用范围为 0 到 255。

对于更大的数字，仅存储最右边的（低位有效）8 位，其余部分被切除： 

![](8bit-integer-256.svg)

因此结果是 0。

257 的二进制格式是 `100000001`（9 位），最右边的 8 位会被存储，因此数组中会有 `1`：

![](8bit-integer-257.svg)

换句话说，该数字对 2<sup>8</sup> 取模的结果被保存了下来。

示例如下：

```js run
let uint8array = new Uint8Array(16);

let num = 256;
alert(num.toString(2)); // 100000000（二进制表示）

uint8array[0] = 256;
uint8array[1] = 257;

alert(uint8array[0]); // 0
alert(uint8array[1]); // 1
```

`Uint8ClampedArray` 在这方面比较特殊，它的表现不太一样。对于大于 255 的任何数字，它将保存为 255，对于任何负数，它将保存为 0。此行为对于图像处理很有用。

## TypedArray 方法

`TypedArray` 具有常规的 `Array` 方法，但有个明显的例外。

我们可以遍历（iterate），`map`，`slice`，`find` 和 `reduce` 等。

但有几件事我们做不了：

- 没有 `splice` —— 我们无法“删除”一个值，因为类型化数组是缓冲区（buffer）上的视图，并且缓冲区（buffer）是固定的、连续的内存区域。我们所能做的就是分配一个零值。
- 无 `concat` 方法。

还有两种其他方法：

- `arr.set(fromArr, [offset])` 从 `offset`（默认为 0）开始，将 `fromArr` 中的所有元素复制到 `arr`。
- `arr.subarray([begin, end])` 创建一个从 `begin` 到 `end`（不包括）相同类型的新视图。这类似于 `slice` 方法（同样也支持），但不复制任何内容 —— 只是创建一个新视图，以对给定片段的数据进行操作。

有了这些方法，我们可以复制、混合类型化数组，从现有数组创建新数组等。



## DataView

[DataView](mdn:/JavaScript/Reference/Global_Objects/DataView) 是在 `ArrayBuffer` 上的一种特殊的超灵活“未类型化”视图。它允许以任何格式访问任何偏移量（offset）的数据。

- 对于类型化的数组，构造器决定了其格式。整个数组应该是统一的。第 i 个数字是 `arr[i]`。
- 通过 `DataView`，我们可以使用 `.getUint8(i)` 或 `.getUint16(i)` 之类的方法访问数据。我们在调用方法时选择格式，而不是在构造的时候。

语法：

```js
new DataView(buffer, [byteOffset], [byteLength])
```

- **`buffer`** —— 底层的 `ArrayBuffer`。与类型化数组不同，`DataView` 不会自行创建缓冲区（buffer）。我们需要事先准备好。
- **`byteOffset`** —— 视图的起始字节位置（默认为 0）。
- **`byteLength`** —— 视图的字节长度（默认至 `buffer` 的末尾）。

例如，这里我们从同一个 buffer 中提取不同格式的数字：

```js run
// 4 个字节的二进制数组，每个都是最大值 255
let buffer = new Uint8Array([255, 255, 255, 255]).buffer;

let dataView = new DataView(buffer);

// 在偏移量为 0 处获取 8 位数字
alert( dataView.getUint8(0) ); // 255

// 现在在偏移量为 0 处获取 16 位数字，它由 2 个字节组成，一起解析为 65535
alert( dataView.getUint16(0) ); // 65535（最大的 16 位无符号整数）

// 在偏移量为 0 处获取 32 位数字
alert( dataView.getUint32(0) ); // 4294967295（最大的 32 位无符号整数）

dataView.setUint32(0, 0); // 将 4 个字节的数字设为 0，即将所有字节都设为 0
```

当我们将混合格式的数据存储在同一缓冲区（buffer）中时，`DataView` 非常有用。例如，当我们存储一个成对序列（16 位整数，32 位浮点数）时，用 `DataView` 可以轻松访问它们。

## 总结

`ArrayBuffer` 是核心对象，是对固定长度的连续内存区域的引用。

几乎任何对 `ArrayBuffer` 的操作，都需要一个视图。

- 它可以是 `TypedArray`：
    - `Uint8Array`，`Uint16Array`，`Uint32Array` —— 用于 8 位、16 位和 32 位无符号整数。
    - `Uint8ClampedArray` —— 用于 8 位整数，在赋值时便“固定”其值。
    - `Int8Array`，`Int16Array`，`Int32Array` —— 用于有符号整数（可以为负数）。
    - `Float32Array`，`Float64Array` —— 用于 32 位和 64 位的有符号浮点数。
- 或 `DataView` —— 使用方法来指定格式的视图，例如，`getUint8(offset)`。

在大多数情况下，我们直接对类型化数组进行创建和操作，而将 `ArrayBuffer` 作为“共同之处（common denominator）”隐藏起来。我们可以通过 `.buffer` 来访问它，并在需要时创建另一个视图。

还有另外两个术语，用于对二进制数据进行操作的方法的描述：
- `ArrayBufferView` 是所有这些视图的总称。
- `BufferSource` 是 `ArrayBuffer` 或 `ArrayBufferView` 的总称。

我们将在下一章中学习这些术语。`BufferSource` 是最常用的术语之一，因为它的意思是“任何类型的二进制数据” —— `ArrayBuffer` 或其上的视图。

这是一份备忘单：

![](arraybuffer-view-buffersource.svg)