JavaScript ArrayBuffer 二进制数组(二) 应用场景

ArrayBuffer 的应用场景

1.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。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。

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

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

xhr.send();

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";
  }
}

2.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;

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。

举例来说，如果把像素的颜色值设为Uint8Array类型，那么乘以一个 gamma 值的时候，就必须这样计算：

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

因为Uint8Array类型对于大于 255 的运算结果（比如0xFF+1），会自动变为0x00，所以图像处理必须要像上面这样算。这样做很麻烦，而且影响性能。如果将颜色值设为Uint8ClampedArray类型，计算就简化许多。

pixels[i] *= gamma;

Uint8ClampedArray类型确保将小于 0 的值设为 0，将大于 255 的值设为 255。注意，IE 10 不支持该类型。

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;
  // ···
});

4.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){
  // ...
});

5.File API

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。

6.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。每个线程的数据都是隔离的，通过postMessage()通信。下面是一个例子。

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

上面代码中，主线程新建了一个 Worker 线程。该线程与主线程之间会有一个通信渠道，主线程通过w.postMessage向 Worker 线程发消息，同时通过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);
}

上面代码中，主线程先发一个消息hi，然后在监听到 Worker 线程的回应后，就将其打印出来。

Worker 线程也是通过监听message事件，来获取主线程发来的消息，并作出反应。

// 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，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。

// 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);

上面代码中，postMessage方法的参数是SharedArrayBuffer对象。

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 线程收到数据后的处理如下。

// 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
};

7.Atomics 对象

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。

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