遇见Javascript类型数组(Typed Array)
最后更新于：2022-04-01 19:43:43
我在Chrome的[最新动态](http://blog.csdn.net/hfahe/article/details/7408426)里提到了Typed Arrays（Typed Array，类型数组）这个概念，可能对很多人来说非常陌生，那么它是什么，又有什么用途呢？
**之前的问题**
Web应用程序变得越来越强大，例如新增了音视频处理、WebSocket等多个功能特性。毫无疑问，如果Javascript能够快速方便的操作原始二进制数据会相当的有用。过去，我们必须要把原始数据当作字符串来处理，并且使用charCodeAt方法来从数据缓冲区中读取字节。
但是这种方法需要多次转换数据（尤其在二进制数据不是字节格式的数据时，例如32位整数或者浮点数），所以非常慢而且容易出错。
Javascript需要一种机制来更有效的访问原始的二进制数据，由此产生了类型数组。
**定义**
其实除了Javascript，类型数组在其他很多语言中也有。它是一种数组，只有一种变量的类型。例如，一个float类型的数组将只包含浮点数而不能混用字符串和浮点数。此外，一个类型数组在初始化后不能改变大小。它看起来形式和普通Javascript数组很像，但是数据格式是一致和同一类型的（例如声音或者像素点的缓冲数据）。
类型数组的规范参见[这里](http://www.khronos.org/registry/typedarray/specs/latest/)。这个规范实质上定义了一种arrayBuffer类型，相当于一个普通的定长二进制缓冲区。我们不能直接访问和操作arrayBuffer的内容，而需要类型数组来创建arrayBuffer的视图（从技术上来说，类型数组等同于arrayBuffer，因为它们本质上是一样的）。例如，要访问32位有符号整数数组作为缓冲区，会创建一个Int32Array的类型数组来指向arrayBuffer。
多个类型数组视图可以指向同一个arrayBuffer，采用不同的类型、不同的长度以及不同的位移。例如下面的代码：
~~~
// 创建一个8字节的ArrayBuffer
var b = new ArrayBuffer(8);
// 创建一个指向b的视图v1，采用Int32类型，开始于默认的字节索引0，直到缓冲区的末尾
var v1 = new Int32Array(b);
// 创建一个指向b的视图v2，采用Uint8类型，开始于字节索引2，直到缓冲区的末尾
var v2 = new Uint8Array(b, 2);
// 创建一个指向b的视图v3，采用Int16类型，开始于字节索引2，长度为2
var v3 = new Int16Array(b, 2, 2);
~~~
上述代码里变量的数据结构如下所示。
变量的数据结构
类型数组包括以下几种类型：
类型数组实际上目前是作为WebGL的一部分来实现的（和它相关的还有File API），但是它可以用在任何地方。
下面我们来谈谈类型数组的优点和用途。
**优点**
1、 性能优秀
所有类型数组相关的文档都提到的重要一点是，类型数组比传统数组快的多，具有非常好的性能。因为类型数组实际上是作为一个固定的内存块来进行访问的，而传统的普通Javascript数组使用的是Hash查找方式（因为元素长度不定）。
这里有一个简单的测试结果，在Firefox4 Beta1版本，我们对比了一个普通数组和Float32Array数组在操作1亿个元素时每种操作所花费的时间。这个测试运行在Win7 64位、4G内存和Intel双核1.3G CPU的平台上。我们运行这个测试8次并使用其中最慢的一个时间。需要指出的是，普通Javascript数组的写入操作经常花费超过10秒钟，这会导致出现运行缓慢的脚本对话框。
下面我们有一个关于普通数组、类型数组（arrayBuffer）以及imageData之间性能的比较，可以看到arrayBuffer会快得多。
性能优异的arrayBuffer
其实在类型数组之前，Javascript也支持二进制字节的数组，这就是imageData。imageData是Canvas元素2D上下文环境里定义的数据类型。当在Canvas 2D里调用getImageData或者createImageData方法时就创建了imageData。imageData的data属性是一个字节数组，它实际大小是图片宽*高的四倍（因为每个像素有R、G、B、A四个通道）。之前我们在《[用HTML5创建超酷图像灰度渐变效果](http://blog.csdn.net/hfahe/article/details/6208765)》这篇文章里就用到了imageData。
从图表数据来看，imageData和arrayBuffer在多个浏览器里创建的性能远远高于普通的数组（[数据来源](http://blog.n01se.net/?p=248)）。不过这里有一个问题，后面将会提到。
可以想见，因为优秀的性能表现，类型数组可以广泛的应用于Javascript图像以及视频的处理和压缩，还有一些需要复杂运算的场景例如MD5计算中，让功能可以更快速更高效的完成。例如我们先把imageData转换为类型数组以换取更快的执行速度，如下面的代码：
~~~
var canvas = document.getElementById('canvas');
var canvasWidth = canvas.width;
var canvasHeight = canvas.height;
var ctx = canvas.getContext('2d');
var imageData = ctx.getImageData(0,0, canvasWidth, canvasHeight);
var buf =new ArrayBuffer(imageData.data.length);
var data =new Uint32Array(buf);
for(var y =0; y < canvasHeight;++y){
for(var x =0; x < canvasWidth;++x){
var value = x * y &0xff;
data[y * canvasWidth + x]=
(255 <<24)| // alpha
(value <<16)| // blue
(value << 8)| // green
value; // red
}
}
~~~
另外一方面，因为类型数组可以显著增加HTML5 Canvas 2D Web App的性能，所以这一特性对于使用HTML5来创建Web游戏的开发者会非常重要。
下面是两个使用类型数组的示例。
第一个是Energy2D的[演示](http://visual-demos.dev.concord.org/seasons/earth/model2d.html)，用于对比普通数组和类型数组的性能，大家可以自行体验。
Energy2D演示
第二个示例是使用类型数组、FileAPI以及Web Workers实现的SHA1[在线计算器](http://antimatter15.github.com/js-typed-array-sha1/)，它的性能相当出色。正是在类型数组的支持下，Javascript执行SHA1、MD5这样复杂运算的速度变得越来越快。
类型数组支持的在线SHA1计算器
2、 二进制支持
上文曾经提到类型数组最主要的特点是支持二进制数据。的确，现在HTMl5的许多API涉及音视频和实时通信，这些功能经常依赖于二进制文件格式，例如MP3音频、MP4视频和PNG图像。二进制格式对于减少带宽，提高性能，以及与现有文件格式互相转换来说非常重要。
类型数组使得Web应用可以使用多种二进制文件格式和直接操作文件的二进制内容，例如从现有的媒体文件中提取数据。
在IE10上，已经提供了类型数组的支持（支持WebGL其实是微软非常纠结的事情）。我们可以看看微软所提供的二进制文件检测器的[例子](http://ie.microsoft.com/testdrive/HTML5/TypedArrays/)：
在这个示例里，我们可以获取音乐文件的ID3头，视频文件的原始字节数据，以及附加文件的格式。它的核心代码如下：
~~~
function getHexChunk(buffer, startAt) {
var chunkLength = Math.min(CHUNK_SIZE, buffer.byteLength - startAt)
var uints = new Uint8Array(buffer, startAt, chunkLength);
var rowString = "";
for (var row = 0; row < uints.length; row += 16) {
var remaining = uints.length - row;
rowString += intToHexString(row + startAt, 8);
rowString += " ";
for (var offset = 0; offset < 8 ; offset++) {
if (offset < remaining) rowString += intToHexString(uints[row + offset], 2) + " ";
else rowString += " ";
}
rowString += " ";
for (; offset < 16; offset++) {
if (offset < remaining) rowString += intToHexString(uints[row + offset], 2) + " ";
else rowString += " ";
}
rowString += " ";
for (var offset = 0; offset < 8; offset++) {
rowString += charForInt(uints[row + offset]);
}
for (; offset < 16; offset++) {
rowString += charForInt(uints[row + offset]);
}
rowString += "\n";
}
return rowString;
}
~~~
页面上文件的二进制格式输出就是用这段代码实现的。
**具体应用**
[ 这里](http://blog.digitalbackcountry.com/2012/01/dealing-with-binary-data-from-a-canvas-object-using-javascript-typedarrays/)有一个使用类型数组在Canvas图像和二进制数据之间互相转换，然后通过WebSocket发送的示例。作者提到“在我实现二进制WebSocket示例时，我学习了很多Javascript类型数组的知识，了解了如何把对象转换为二进制数据。我写了一个示例来获取Canvas图像数据，并且把它通过二进制的WebSocket连接发送出去。WebSocket服务器获取图像数据，然后把它发送给所有连接的客户端（宇捷：这让我想起了最近国外非常火爆的超人气应用[DrawSomething-你画我猜](http://game.163.com/12/0322/17/7T7G2FL200314OSE.html)，我们可以用这种方式实现类似的WebApp），然后客户端再把Canvas数据还原为PNG图片。采用这种方式发送图像数据比起base64编码来更有效率（数据小33%，而且更利于序列化和存储）。”
创造了历史的应用-你画我猜
WebSocket支持二进制数据传输，对于WebSocket服务器来说，使用二进制数据会比UTF-8更为简单，不过现在浏览器支持方面还有问题。
示例里实现将Canvas数据转换为二进制格式的代码如下：
~~~
imagedata = context.getImageData(0, 0, imagewidth,imageheight);
var canvaspixelarray = imagedata.data;
var canvaspixellen = canvaspixelarray.length;
var bytearray = new Uint8Array(canvaspixellen);
for (var i=0;i
';
名称 | 大小 (以字节为单位) | 说明 |
Int8Array | 1 | 8位有符号整数 |
Uint8Array | 1 | 8位无符号整数 |
Int16Array | 2 | 16位有符号整数 |
Uint16Array | 2 | 16位无符号整数 |
Int32Array | 4 | 32位有符号整数 |
Uint32Array | 4 | 32位无符号整数 |
Float32Array | 4 | 32位浮点数 |
Float64Array | 8 | 64位浮点数 |
操作 | 普通数组 | Float32Array |
写 | 8947 | 1455 |
读 | 1948 | 1109 |
循环复制 | >10,000 | 1969 |
片段复制 | 1125 | 503 |