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）。ArrayBuffer有两种视图，一种是TypedArray视图，另一种是DataView视图。前者的数组成员都是同一个数据类型，后者的数组成员可以是不同的数据类型。

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

• Int8Array：8 位有符号整数，长度 1 个字节。
• Uint8Array：8 位无符号整数，长度 1 个字节。
• Uint8ClampedArray：8 位无符号整数，长度 1 个字节，溢出处理不同。
• Int16Array：16 位有符号整数，长度 2 个字节。
• Uint16Array：16 位无符号整数，长度 2 个字节。
• Int32Array：32 位有符号整数，长度 4 个字节。
• Uint32Array：32 位无符号整数，长度 4 个字节。
• Float32Array：32 位浮点数，长度 4 个字节。
• Float64Array：64 位浮点数，长度 8 个字节。

这 9 个构造函数生成的数组，统称为TypedArray视图。它们很像普通数组，都有length属性，都能用方括号运算符（[]）获取单个元素，所有数组的方法，在它们上面都能使用。普通数组与 TypedArray 数组的差异主要在以下方面。

• TypedArray 数组的所有成员，都是同一种类型。
• TypedArray 数组的成员是连续的，不会有空位。
• TypedArray 数组成员的默认值为 0。比如，new Array(10)返回一个普通数组，里面没有任何成员，只是 10 个空位；new Uint8Array(10)返回一个 TypedArray 数组，里面 10 个成员都是 0。
• TypedArray 数组只是一层视图，本身不储存数据，它的数据都储存在底层的ArrayBuffer对象之中，要获取底层对象必须使用buffer属性。

构造函数

TypedArray 数组提供 9 种构造函数，用来生成相应类型的数组实例。

构造函数有多种用法。

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

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);

上面代码在一段长度为 8 个字节的内存（b）之上，生成了三个视图：v1、v2和v3。

视图的构造函数可以接受三个参数：

• 第一个参数（必需）：视图对应的底层ArrayBuffer对象。
• 第二个参数（可选）：视图开始的字节序号，默认从 0 开始。
• 第三个参数（可选）：视图包含的数据个数，默认直到本段内存区域结束。

因此，v1、v2和v3是重叠的：v1[0]是一个 32 位整数，指向字节 0 ～字节 3；v2[0]是一个 8 位无符号整数，指向字节 2；v3[0]是一个 16 位整数，指向字节 2 ～字节 3。只要任何一个视图对内存有所修改，就会在另外两个视图上反应出来。

注意，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

上面代码中，新生成一个 8 个字节的ArrayBuffer对象，然后在这个对象的第一个字节，建立带符号的 16 位整数视图，结果报错。因为，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。

如果想从任意字节开始解读ArrayBuffer对象，必须使用DataView视图，因为TypedArray视图只提供 9 种固定的解读格式。

（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];

上面代码生成一个 8 个成员的Float64Array数组（共 64 字节），然后依次对每个成员赋值。这时，视图构造函数的参数就是成员的个数。可以看到，视图数组的赋值操作与普通数组的操作毫无两样。

（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));

上面代码中，Int8Array构造函数接受一个Uint8Array实例作为参数。

注意，此时生成的新数组，只是复制了参数数组的值，对应的底层内存是不一样的。新数组会开辟一段新的内存储存数据，不会在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

上面代码中，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。

如果想基于同一段内存，构造不同的视图，可以采用下面的写法。

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)

构造函数的参数也可以是一个普通数组，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。

上面代码从一个普通的数组，生成一个 8 位无符号整数的TypedArray实例。

TypedArray 数组也可以转换回普通数组。

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。

• TypedArray.prototype.copyWithin(target, start[, end = this.length])
• TypedArray.prototype.entries()
• TypedArray.prototype.every(callbackfn, thisArg?)
• TypedArray.prototype.fill(value, start=0, end=this.length)
• TypedArray.prototype.filter(callbackfn, thisArg?)
• TypedArray.prototype.find(predicate, thisArg?)
• TypedArray.prototype.findIndex(predicate, thisArg?)
• TypedArray.prototype.forEach(callbackfn, thisArg?)
• TypedArray.prototype.indexOf(searchElement, fromIndex=0)
• TypedArray.prototype.join(separator)
• TypedArray.prototype.keys()
• TypedArray.prototype.lastIndexOf(searchElement, fromIndex?)
• TypedArray.prototype.map(callbackfn, thisArg?)
• TypedArray.prototype.reduce(callbackfn, initialValue?)
• TypedArray.prototype.reduceRight(callbackfn, initialValue?)
• TypedArray.prototype.reverse()
• TypedArray.prototype.slice(start=0, end=this.length)
• TypedArray.prototype.some(callbackfn, thisArg?)
• TypedArray.prototype.sort(comparefn)
• TypedArray.prototype.toLocaleString(reserved1?, reserved2?)
• TypedArray.prototype.toString()
• TypedArray.prototype.values()

上面所有方法的用法，请参阅数组方法的介绍，这里不再重复了。

注意，TypedArray 数组没有concat方法。如果想要合并多个 TypedArray 数组，可以用下面这个函数。

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]

另外，TypedArray 数组与普通数组一样，部署了 Iterator 接口，所以可以被遍历。

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;
}

上面代码生成一个 16 字节的ArrayBuffer对象，然后在它的基础上，建立了一个 32 位整数的视图。由于每个 32 位整数占据 4 个字节，所以一共可以写入 4 个整数，依次为 0，2，4，6。

如果在这段数据上接着建立一个 16 位整数的视图，则可以读出完全不一样的结果。

const int16View = new Int16Array(buffer);
for (let i = 0; i < int16View.length; i++) {
  console.log("Entry " + i + ": " + int16View[i]);
}
// Entry 0: 0
// Entry 1: 0
// Entry 2: 2
// Entry 3: 0
// Entry 4: 4
// Entry 5: 0
// Entry 6: 6
// Entry 7: 0

由于每个 16 位整数占据 2 个字节，所以整个ArrayBuffer对象现在分成 8 段。然后，由于 x86 体系的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，所以就得到了上面的结果。

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”。小端字节序将最不重要的字节排在前面，储存顺序就是78563412；大端字节序则完全相反，将最重要的字节排在前面，储存顺序就是12345678。目前，所有个人电脑几乎都是小端字节序，所以 TypedArray 数组内部也采用小端字节序读写数据，或者更准确的说，按照本机操作系统设定的字节序读写数据。

这并不意味大端字节序不重要，事实上，很多网络设备和特定的操作系统采用的是大端字节序。这就带来一个严重的问题：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！为了解决这个问题，JavaScript 引入DataView对象，可以设定字节序，下文会详细介绍。

下面是另一个例子。

// 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
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]

下面的函数可以用来判断，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');
  }
}

总之，与普通数组相比，TypedArray 数组的最大优点就是可以直接操作内存，不需要数据类型转换，所以速度快得多。

BYTES_PER_ELEMENT 属性

每一种视图的构造函数，都有一个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

这个属性在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。为了便于说明用法，下面的代码都按照 TypeScript 的用法，给出了类型签名。

/**
 * 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
}

上面代码中，ab2str()的第二个参数outputEncoding给出了输出编码的编码，一般保持默认值（utf-8），其他可选值参见官方文档或 Node.js 文档。

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。比如，8 位视图只能容纳一个 8 位的二进制值，如果放入一个 9 位的值，就会溢出。

TypedArray 数组的溢出处理规则，简单来说，就是抛弃溢出的位，然后按照视图类型进行解释。

const uint8 = new Uint8Array(1);
uint8[0] = 256;
uint8[0] // 0
uint8[0] = -1;
uint8[0] // 255

上面代码中，uint8是一个 8 位视图，而 256 的二进制形式是一个 9 位的值100000000，这时就会发生溢出。根据规则，只会保留后 8 位，即00000000。uint8视图的解释规则是无符号的 8 位整数，所以00000000就是0。

负数在计算机内部采用“2 的补码”表示，也就是说，将对应的正数值进行否运算，然后加1。比如，-1对应的正值是1，进行否运算以后，得到11111110，再加上1就是补码形式11111111。uint8按照无符号的 8 位整数解释11111111，返回结果就是255。

一个简单转换规则，可以这样表示。

• 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。

上面的“余值”就是模运算的结果，即 JavaScript 里面的%运算符的结果。

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

上面代码中，12 除以 4 是没有余值的，而除以 5 会得到余值 2。

请看下面的例子。

const int8 = new Int8Array(1);
int8[0] = 128;
int8[0] // -128
int8[0] = -129;
int8[0] // 127

上面例子中，int8是一个带符号的 8 位整数视图，它的最大值是 127，最小值是-128。输入值为128时，相当于正向溢出1，根据“最小值加上余值（128 除以 127 的余值是 1），再减去 1”的规则，就会返回-128；输入值为-129时，相当于负向溢出1，根据“最大值减去余值的绝对值（-129 除以-128 的余值的绝对值是 1），再加上 1”的规则，就会返回127。

Uint8ClampedArray视图的溢出规则，与上面的规则不同。它规定，凡是发生正向溢出，该值一律等于当前数据类型的最大值，即 255；如果发生负向溢出，该值一律等于当前数据类型的最小值，即 0。

const uint8c = new Uint8ClampedArray(1);
uint8c[0] = 256;
uint8c[0] // 255
uint8c[0] = -1;
uint8c[0] // 0

上面例子中，uint8C是一个Uint8ClampedArray视图，正向溢出时都返回 255，负向溢出都返回 0。

TypedArray.prototype.buffer

TypedArray实例的buffer属性，返回整段内存区域对应的ArrayBuffer对象。该属性为只读属性。

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

上面代码的a视图对象和b视图对象，对应同一个ArrayBuffer对象，即同一段内存。

TypedArray.prototype.byteLength，TypedArray.prototype.byteOffset

byteLength属性返回 TypedArray 数组占据的内存长度，单位为字节。byteOffset属性返回 TypedArray 数组从底层ArrayBuffer对象的哪个字节开始。这两个属性都是只读属性。

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属性表示 TypedArray 数组含有多少个成员。注意将 length 属性和 byteLength 属性区分，前者是成员长度，后者是字节长度。

const a = new Int16Array(8);
a.length // 8
a.byteLength // 16

TypedArray.prototype.set()

TypedArray 数组的set方法用于复制数组（普通数组或 TypedArray 数组），也就是将一段内容完全复制到另一段内存。

const a = new Uint8Array(8);
const b = new Uint8Array(8);
b.set(a);

上面代码复制a数组的内容到b数组，它是整段内存的复制，比一个个拷贝成员的那种复制快得多。

set方法还可以接受第二个参数，表示从b对象的哪一个成员开始复制a对象。

const a = new Uint16Array(8);
const b = new Uint16Array(10);
b.set(a, 2)

上面代码的b数组比a数组多两个成员，所以从b[2]开始复制。

TypedArray.prototype.subarray()

subarray方法是对于 TypedArray 数组的一部分，再建立一个新的视图。

const a = new Uint16Array(8);
const b = a.subarray(2,3);
a.byteLength // 16
b.byteLength // 2

subarray方法的第一个参数是起始的成员序号，第二个参数是结束的成员序号（不含该成员），如果省略则包含剩余的全部成员。所以，上面代码的a.subarray(2,3)，意味着 b 只包含a[2]一个成员，字节长度为 2。

TypedArray.prototype.slice()

TypeArray 实例的slice方法，可以返回一个指定位置的新的TypedArray实例。

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

上面代码中，ui8是 8 位无符号整数数组视图的一个实例。它的slice方法可以从当前视图之中，返回一个新的视图实例。

slice方法的参数，表示原数组的具体位置，开始生成新数组。负值表示逆向的位置，即-1 为倒数第一个位置，-2 表示倒数第二个位置，以此类推。

TypedArray.of()

TypedArray 数组的所有构造函数，都有一个静态方法of，用于将参数转为一个TypedArray实例。

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

下面三种方法都会生成同样一个 TypedArray 数组。

// 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接受一个可遍历的数据结构（比如数组）作为参数，返回一个基于这个结构的TypedArray实例。

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

这个方法还可以将一种TypedArray实例，转为另一种。

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

from方法还可以接受一个函数，作为第二个参数，用来对每个元素进行遍历，功能类似map方法。

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 ]

上面的例子中，from方法没有发生溢出，这说明遍历不是针对原来的 8 位整数数组。也就是说，from会将第一个参数指定的 TypedArray 数组，拷贝到另一段内存之中，处理之后再将结果转成指定的数组格式。