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ECMAScript6(7):二进制数组

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ECMAScript6 (6):数组的扩展

这个部分如果没有C语言和计算机基础会比较难理解,如果实在理解不了可以收藏它,日后再看。

二进制数组其实很早就有了,不过为了 WebGL 中,数据可以高效和显卡交换数据。分为3类:


– ArrayBuffer:代表内存中的一段二进制数据;


– TypedArray:读写简单的二进制数据,如 Uint8Array, Int16Array, Float32Array 等9类;


– DataView:读写复杂的二进制数据,如 Uint8, Int16, Float32 等8类;

数据类型 字节长度 含义 对应 C 语言类型 TypedArray 类型 DataView 类型
Int8 1 8位有符号整数 char Int8Array Int8
Uint8 1 8位无符号整数 unsigned char Uint8Array Uint8
Uint8C 1 8位无符号整数(自动过滤溢出) unsigned char Uint8ClampedArray 不支持
Int16 2 16位有符号整数 short Int16Array Int16
Uint16 2 16位无符号整数 unsigned short Uint16Array Uint16
Int32 4 32位有符号整数 int Int32Array Int32
Uint32 4 32位无符号整数 unsigned int Uint32Array Uint32
Float32 4 32位浮点数 float Float32Array Float32
Float64 8 64位浮点数 double Float64Array Float64

1.ArrayBuffer

ArrayBuffer 代表内存中的一段二进制数据,我们没法直接操作,需要利用视图(TypedArray,DataView)按一定格式解读二进制数据。但我们依然可以构造一段内存来存放二进制数据:

var buf = new ArrayBuffer(32);  //分配32个字节的内存存放数据, 默认全0
var dataview = new DataView(buf);   //将这段内存转为视图
dataview.getUint8(0);   //得到第一个8字节的值(无符号),0

这里需要强调的是,分配内存空间不要太大!毕竟你的内存是有限的。


其次,无论使用什么视图,其实例化的内存如果共享,所有的写入操作会修改每一个视图,因为内存共用的:


“`js


var buf = new ArrayBuffer(32);


var view16 = new Int16Array(buf);


var viewu8 = new Uint8Array(buf);

console.log(viewu8[0]); //0


view16[0]=-1;


console.log(viewu8[0]); //255


``


这里之所以得到255,是因为内存共用导致的,但为何不是-1?Int16Array 是有符号类型的,这样二进制的最高位用作符号位,负数记为1:
1000 0000 0000 0001,之后的数字用移码存储,得到-1的二进制为:1111 1111 1111 1111, 之后利用Uint8Array读取无符号的前8位,得到1111 1111`这个计算为十进制为 281=255。具体关于数制转换和反码补码这里不再展开,否则就跑偏了。

ArrayBuffer 对象也有几个方法和属性:


– byteLength: 得到内存区域的字节长度

const N = 32;
var buf = new ArrayBuffer(N);
if(buf.byteLength === N){
  //分配成功
} else {
  //分配失败
}
  • slice(start=0, end=this.byteLength): 分配新内存,并把先有内存 start 到 end 部分复制过去,返回这段新内存区域
var buf = new ArrayBuffer(32);
var newBuf = buf.slice(0,3);
  • isView(view): 判断传入的 view 是否当前 buffer 的视图,是则返回 true, 否则 false。该方法暂无法使用。
var buf1 = new ArrayBuffer(32);
var buf2 = new ArrayBuffer(32);
var buf1View = new Int8Array(buf1);
var buf2View = new Int8Array(buf2);

buf1.isView(buf1View);   //true
buf1.isView(buf2View);   //false

2.TypedArray

具有一个构造函数 DataView(), 接受一个ArrayBuffer参数,视图化该段内存;或接受一个数组参数,实例化该数组为二进制内容。得到的值是一个数组,可以直接使用[]访问每个位置的内容,有length属性。其构造函数有9个:

数据类型 字节长度 含义 对应 C 语言类型 TypedArray 类型构造函数
Int8 1 8位有符号整数 char Int8Array()
Uint8 1 8位无符号整数 unsigned char Uint8Array()
Uint8C 1 8位无符号整数(自动过滤溢出) unsigned char Uint8ClampedArray()
Int16 2 16位有符号整数 short Int16Array()
Uint16 2 16位无符号整数 unsigned short Uint16Array()
Int32 4 32位有符号整数 int Int32Array()
Uint32 4 32位无符号整数 unsigned int Uint32Array()
Float32 4 32位浮点数 float Float32Array()
Float64 8 64位浮点数 double Float64Array()

以上9个会对内存进行不同位数的格式化,以得到对应类型值的数组。这个数组不同于普通数组,它不支持稀疏数组,默认值为0,而且同一个数组只能存放同一个类型的变量。

以上每个构造函数都对应如下形式的参数:

(buffer, start=0, len=buffer.byteLength-start*8)

可以指定序列化其中 start到 end部分的二进制数据。注意这里指定的范围必须和数组类型所匹配,不能出现类似new Int32Array(buffer,2,2)的情况。如果你觉得这个不符合你的需求,可以使用 DataView。

如果你觉得上面的写法复杂,可以不写 new ArrayBuffer,直接使用 TypedArray,但注意参数的意义不一样:

var f64a = new Float64Array(4);    //分配32个字节,并作为double类型使用。 32 = 64 / 8 * 4

TypedArray的构造函数还接受另一个TypedArray作为参数,开辟新内存复制其值并改变类型,对原视图和buffer 不构成影响,也不共用内存。


TypeArray的构造函数还接受另一个Array作为参数,开辟新内存复制其值,对原数组不构成影响,也不共用内存。

当然利用一下方法,可以把 TypedArray 转换为普通数组:

var arr = [].slice.call(typedArray);

TypedArray具有除了concat()以外的全部数组方法,当然,它也具有 iterator,可以用 for…of 遍历。


以下是 TypedArray 特有的属性和方法:

  • buffer属性:返回该视图对于的二进制内存区域
  • BYTES_PER_ELEMENT属性:是个常数,表示数组中每个值的字节大小,不同视图的返回值与上方表格一致
  • byteLength: 返回该视图对于的内存大小,只读
  • byteOffset: 返回该视图从对应 buffer 的哪个字节开始,只读
  • set(arr_or_typeArray, start=0): 在内存层面,从arr_or_typeArray 的 start 下标开始复制数组到当然 typeArray
  • subarray(start=0,end=this.length),截取 start到 end部分子数组,但是和原数组共用内存
  • from(): 接受一个可遍历参数,转为该视图实例
  • of(): 将参数列表转为该视图实例

小技巧,转换字符串和 ArrayBuffer

//该方法仅限转换 utf-16 的字符串
function ab2str(buf){
  return String.fromCharCode.apply(null, new Uint16Array(buf));
}
function str2ab(str){
  var len = str.length;
  var view = new Uint16Array(len);
  for(let i = 0; i < len; i++){
    view[i] = str.charCodeAt(i);
  }
  return view.buffer;
}
var str = "Hello world";
var buf = str2ab(str);
var view = new Uint16Array(buf);
for(var i = 0; i < view.length; i++){
  console.log(String.fromCharCode(view[i]));   //一次输出"Hello world"的每个字母
}
console.log(ab2str(buf));    //"Hello world"

这里扩展一些编码知识,我们知道计算机里面存储的是二进制,并且存储的最小单位是字节。但是不同的系统存储方式不同,分为高位优先和低位优先。比如 20170101 这个数字,其十六进制表示为 0x0133C575, 在低位优先的系统中存储方式为 0x75 0xC5 0x33 0x01, 而在高位优先的系统中存储方式为 0x01 0x33 0xC5 0x75。由于大多数计算机采用低位优先的方式,所以 ES6 采用是也是低位优先的方式,但遇到高位优先的数据时,就不能简单的直接那来使用,具体使用会在 DataView 中介绍,这里说明一种判断低位优先(little endian)还是高位优先(big endian)的方法:

还有需要注意的是数据溢出,这个也是需要数制方面基础比较好理解,这里不过多展开了。举一个例子:


Uint8 只能表示8位无符号整数,最大是1111 1111, 也就是十进制的 0~255;Int8因为有了符号位,只能表示十进制-128~127,如果给它的值不在这个范围内就会发生溢出,得到一个你意想不到但情理之中的值

var view1 = new Uint8Array(2);
view1[0] = 256;   //256 二进制是 1 0000 0000 由于数据只能容纳8个值,进位1就丢了
view1[1] = -1;    //之前说过-1 二进制(补码)为 1111 1111(全1), 作为无符号数8个1就是255

console.log(view1[0]);   //0
console.log(view1[1]);   //255

var view2 = new Int8Array(2);
view2[0] = 128;   //由于符号位溢出,系统自动用32位计算这个数1 000 0000 0000 0000 0000 0000 1000 0000,取符号位和最后8位得到-128
view2[1] = -128;  //由于符号位溢出,系统自动用32位计算这个数0 111 1111 1111 1111 1111 1111 0111 1111,取符号位和最后8位得到127
console.log(view2[0]);   //-128
console.log(view2[1]);   //127

为了防止这样的情况,js 有一个 Unit8ClampedArray, 使整数方向的溢出值为255,0方向的易楚志为0。注意这是个无符号的类型;

var view = new Uint8ClampedArray(2);
view[0] = 256;
view[1] = -1;

console.log(view[0]);   //255
console.log(view[1]);   //0

3.复合视图

划分一块 buffer 使用得到 C 语言中的结构体

var buf = new ArrayBuffer(24);
var name = new Uint8Array(buf, 0, 16);
var gender = new Uint8Array(buf, 16, 1);
var age = new Uint16Array(buf, 18, 1);
var score = new Float32Array(buf,20,1);

相当于以下 C语言代码

struct Person{
  char name[16];
  char gender;
  int age;
  float score;
}

共用一块 buffer 使用得到 C 语言中的联合体

var buf = new ArrayBuffer(8);
var num = new Uint16Array(buf);
var dotNum = new Float64Array(buf);

相当于以下 C语言代码

union Example{
  int num[4];
  double dotNum;
}

4.DataView

具有一个构造函数 DataView(), 接受一个ArrayBuffer参数,视图化该段内存。毕竟当一段内存有多种数据时,复合视图也不是那么方便,这时适合使用 DataView 视图。其次 DataView 可以自定义高位优先和低位优先,这样可以读取的数据就更多了。


DataView构造函数形式如下,这一点和 TypedArray 一致:

(buffer, start=0, len=buffer.byteLength-start*8)

它具有以下方法格式化读取 buffer 中的信息:

  • getInt8(start, isLittleEndian): 从 start 字节处读取 1 个字节,返回一个8位有符号整数, 第二参默认为 false 表示使用高位优先,为 true 表示低位优先;
  • getUint8(start, isLittleEndian): 从 start 字节处读取 1 个字节,返回一个8位无符号整数, 第二参默认为 false 表示使用高位优先,为 true 表示低位优先;
  • getInt16(start, isLittleEndian): 从 start 字节处读取 2 个字节,返回一个16位有符号整数, 第二参默认为 false 表示使用高位优先,为 true 表示低位优先;
  • getUint16(start, isLittleEndian): 从 start 字节处读取 2 个字节,返回一个16位无符号整数, 第二参默认为 false 表示使用高位优先,为 true 表示低位优先;
  • getInt32(start, isLittleEndian): 从 start 字节处读取 4 个字节,返回一个32位有符号整数, 第二参默认为 false 表示使用高位优先,为 true 表示低位优先;
  • getUint32(start, isLittleEndian): 从 start 字节处读取 4 个字节,返回一个32位无符号整数, 第二参默认为 false 表示使用高位优先,为 true 表示低位优先;
  • getFloat32(start, isLittleEndian): 从 start 字节处读取 4 个字节,返回一个32位浮点数, 第二参默认为 false 表示使用高位优先,为 true 表示低位优先;
  • getFloat64(start, isLittleEndian): 从 start 字节处读取 8 个字节,返回一个64位浮点数, 第二参默认为 false 表示使用高位优先,为 true 表示低位优先;

它具有以下方法格式化写入 buffer 中的信息:

  • setInt8(start,value,isLittleEndian): 在 start位置写入 1 个字节的8位有符号整数value;第二参默认为 false 表示使用高位优先,为 true 表示低位优先;
  • setUint8(start,value,isLittleEndian): 在 start位置写入 1 个字节的8位无符号整数value;第二参默认为 false 表示使用高位优先,为 true 表示低位优先;
  • setInt16(start,value,isLittleEndian): 在 start位置写入 2 个字节的16位有符号整数value;第二参默认为 false 表示使用高位优先,为 true 表示低位优先;
  • setUint16(start,value,isLittleEndian): 在 start位置写入 2 个字节的16位无符号整数value;第二参默认为 false 表示使用高位优先,为 true 表示低位优先;
  • setInt32(start,value,isLittleEndian): 在 start位置写入 4 个字节的32位有符号整数value;第二参默认为 false 表示使用高位优先,为 true 表示低位优先;
  • setUint32(start,value,isLittleEndian): 在 start位置写入 4 个字节的32位无符号整数value;第二参默认为 false 表示使用高位优先,为 true 表示低位优先;
  • setFloat32(start,value,isLittleEndian): 在 start位置写入 4 个字节的32位浮点数value;第二参默认为 false 表示使用高位优先,为 true 表示低位优先;
  • setFloat64(start,value,isLittleEndian): 在 start位置写入 8 个字节的64位浮点数value;第二参默认为 false 表示使用高位优先,为 true 表示低位优先;

它具有以下属性和方法:

  • buffer属性:返回该视图对于的二进制内存区域
  • byteLength: 返回该视图对于的内存大小,只读
  • byteOffset: 返回该视图从对应 buffer 的哪个字节开始,只读

如果你不知道计算机使用的是高位优先还是低位优先,也可以自行判断:

//方法1
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("unknow Endianness");
  }
}

//方法2
window.isLittleEndian = (function(){
  var buffer = new ArrayBuffer(2);
  new DataView(buffer).setInt16(0, 256, true);
  return new Int16Array(buffer)[0] === 256;
}());

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