JavaScript Typed Arrays

Es gibt zwei Arten von Puffern: ArrayBuffer und SharedArrayBuffer. Beide sind niedrigstufige Repräsentationen eines Speicherabschnitts. Sie haben das Wort "Array" in ihren Namen, aber mit Arrays haben sie wenig zu tun — man kann nicht direkt auf sie lesen oder schreiben. Stattdessen sind Puffer generische Objekte, die einfach Rohdaten enthalten. Um auf den vom Puffer repräsentierten Speicher zuzugreifen, muss eine Ansicht verwendet werden.

Puffer unterstützen die folgenden Aktionen:

• Allokation: Sobald ein neuer Puffer erstellt wird, wird ein neuer Speicherabschnitt alloziert und auf 0 initialisiert.
• Kopieren: Mit der Methode slice() kann man einen Teil des Speichers effizient kopieren, ohne Ansichten zu erstellen, um jedes Byte manuell zu kopieren.
• Übertragung: Mit den Methoden transfer() und transferToFixedLength() kann die Besitzergreifung des Speicherabschnitts auf ein neues Pufferobjekt übertragen werden. Dies ist nützlich, um Daten zwischen verschiedenen Ausführungskontexten zu übertragen, ohne sie zu kopieren. Nach der Übertragung ist der ursprüngliche Puffer nicht mehr verwendbar. Ein SharedArrayBuffer kann nicht übertragen werden (da der Puffer bereits von allen Ausführungskontexten gemeinsam genutzt wird).
• Größenänderung: Mit der Methode resize() kann man den Speicherabschnitt resize (entweder mehr Speicherplatz beanspruchen, solange er nicht das voreingestellte maxByteLength Limit überschreitet, oder Speicherplatz freigeben). SharedArrayBuffer kann nur erweitert, aber nicht verkleinert werden.

Der Unterschied zwischen ArrayBuffer und SharedArrayBuffer besteht darin, dass der erstere immer nur von einem einzigen Ausführungskontext zu einem Zeitpunkt besessen wird. Wenn man einen ArrayBuffer an einen anderen Ausführungskontext übergibt, wird er übertragen und der ursprüngliche ArrayBuffer wird unbenutzbar. Dies stellt sicher, dass immer nur ein Ausführungskontext auf den Speicher zugreifen kann. Ein SharedArrayBuffer wird nicht übertragen, wenn er an einen anderen Ausführungskontext übergeben wird, sodass er gleichzeitig von mehreren Ausführungskontexten zugänglich ist. Dies kann zu Race Conditions führen, wenn mehrere Threads auf denselben Speicherabschnitt zugreifen, sodass Operationen wie Atomics Methoden nützlich werden.

Derzeit gibt es zwei Hauptarten von Ansichten: Typed Array Ansichten und DataView. Typed Arrays bieten Hilfsmethoden, die es Ihnen ermöglichen, Binärdaten bequem zu transformieren. DataView ist niedriger und ermöglicht eine granulare Kontrolle darüber, wie auf Daten zugegriffen wird. Die Möglichkeiten zum Lesen und Schreiben von Daten mit den beiden Ansichten sind sehr unterschiedlich.

Beide Arten von Ansichten führen dazu, dass ArrayBuffer.isView() true zurückgibt. Beide haben die folgenden Eigenschaften:

buffer

Der zugrundeliegende Puffer, auf den die Ansicht verweist.

byteOffset

Der Offset in Bytes der Ansicht vom Anfang ihres Puffers.

byteLength

Die Länge der Ansicht in Bytes.

Beide Konstruktoren akzeptieren die oben genannten drei als separate Argumente, obwohl die Konstruktoren von Typed Arrays length als Anzahl der Elemente statt der Anzahl der Bytes akzeptieren.

Typed Array Ansichten haben selbsterklärende Namen und bieten Ansichten für alle üblichen numerischen Typen wie Int8, Uint32, Float64 und so weiter. Es gibt eine spezielle Typed Array Ansicht, Uint8ClampedArray, die die Werte zwischen 0 und 255 einklammert. Dies ist nützlich für Canvas-Datenverarbeitung zum Beispiel.

Alle Typed Array Ansichten haben die gleichen Methoden und Eigenschaften, wie sie durch die TypedArray Klasse definiert sind. Sie unterscheiden sich nur im zugrundeliegenden Datentyp und der Größe in Bytes. Dies wird ausführlicher in Wertkodierung und Normalisierung diskutiert.

Typed Arrays sind grundsätzlich von fester Länge, sodass Array-Methoden, die die Länge eines Arrays ändern können, nicht verfügbar sind. Dazu gehören pop, push, shift, splice und unshift. Ebenso ist flat nicht verfügbar, da es keine verschachtelten Typed Arrays gibt, und verwandte Methoden wie concat und flatMap haben keine großen Anwendungsfälle und sind daher nicht verfügbar. Da splice nicht verfügbar ist, ist auch toSpliced nicht verfügbar. Alle anderen Array-Methoden werden zwischen Array und TypedArray gemeinsam genutzt.

Andererseits hat TypedArray die zusätzlichen set und subarray Methoden, die das Arbeiten mit mehreren Typed Arrays optimieren, die denselben Puffer betrachten. Die Methode set() ermöglicht es, mehrere Indizes eines Typed Arrays auf einmal zu setzen, unter Verwendung von Daten aus einem anderen Array oder Typed Array. Wenn die beiden Typed Arrays denselben zugrundeliegenden Puffer teilen, kann die Operation effizienter sein, da es ein schneller Speicherverschiebevorgang ist. Die Methode subarray() erstellt eine neue Typed Array Ansicht, die denselben Puffer wie das ursprüngliche Typed Array referenziert, jedoch mit einem schmaleren Bereich.

Es gibt keine Möglichkeit, die Länge eines Typed Arrays direkt zu ändern, ohne den zugrundeliegenden Puffer zu ändern. Wenn die Typed Array Ansicht jedoch einen veränderbaren Puffer betrachtet und keine feste byteLength hat, ist sie längenverfolgung und wird automatisch an den zugrundeliegenden Puffer angepasst, wenn dieser vergrößert wird. Siehe Verhalten bei Betrachtung eines veränderbaren Puffers für Details.

Ähnlich wie bei regulären Arrays können Sie auf Typed Array Elemente mit Klammernotation zugreifen. Die entsprechenden Bytes im zugrundeliegenden Puffer werden abgerufen und als Zahl interpretiert. Jeder Eigenschaftszugriff mit einer Zahl (oder der String-Repräsentation einer Zahl, da Zahlen beim Zugriff auf Eigenschaften immer in Strings konvertiert werden) wird vom Typed Array proxy-gesteuert — sie interagieren niemals mit dem Objekt selbst. Das bedeutet beispielsweise:

• Der Zugriff auf einen Index außerhalb der Grenzen liefert immer undefined zurück, ohne tatsächlich auf die Eigenschaft im Objekt zuzugreifen.
• Jeder Versuch, eine solche Eigenschaft außerhalb der Grenzen zu schreiben, hat keine Wirkung: Es löst keinen Fehler aus, aber es ändert auch nicht den Puffer oder das Typed Array.
• Typed Array Indizes scheinen konfigurierbar und beschreibbar zu sein, aber jeder Versuch, ihre Attribute zu ändern, wird fehlschlagen.

const uint8 = new Uint8Array([1, 2, 3]);
console.log(uint8[0]); // 1

// For illustrative purposes only. Not for production code.
uint8[-1] = 0;
uint8[2.5] = 0;
uint8[NaN] = 0;
console.log(Object.keys(uint8)); // ["0", "1", "2"]
console.log(uint8[NaN]); // undefined

// Non-numeric access still works
uint8[true] = 0;
console.log(uint8[true]); // 0

Object.freeze(uint8); // TypeError: Cannot freeze array buffer views with elements

Der DataView ist eine niedrigstufige Schnittstelle, die eine Getter/Setter-API bereitstellt, um beliebige Daten in den Puffer zu lesen und zu schreiben. Dies ist nützlich, wenn mit unterschiedlichen Datentypen gearbeitet wird, zum Beispiel. Typed Array Ansichten liegen in der nativen Byte-Reihenfolge (siehe Endianness) Ihrer Plattform vor. Mit einem DataView kann die Byte-Reihenfolge kontrolliert werden. Standardmäßig ist sie Big-Endian—die Bytes sind von den wichtigsten zu den am wenigsten wichtigen geordnet. Dies kann umgekehrt werden, mit den Bytes in der Reihenfolge vom unwichtigsten zum wichtigsten (Little-Endian), mit Hilfe von Getter-/Setter-Methoden.

DataView erfordert keine Ausrichtung; Multibyte-Lesen und -Schreiben können an jedem angegebenen Offset beginnen. Die Setter-Methoden funktionieren auf die gleiche Weise.

Das folgende Beispiel verwendet einen DataView, um die binäre Repräsentation einer beliebigen Zahl zu erhalten:

function toBinary(
  x,
  { type = "Float64", littleEndian = false, separator = " ", radix = 16 } = {},
) {
  const bytesNeeded = globalThis[`${type}Array`].BYTES_PER_ELEMENT;
  const dv = new DataView(new ArrayBuffer(bytesNeeded));
  dv[`set${type}`](0, x, littleEndian);
  const bytes = Array.from({ length: bytesNeeded }, (_, i) =>
    dv
      .getUint8(i)
      .toString(radix)
      .padStart(8 / Math.log2(radix), "0"),
  );
  return bytes.join(separator);
}

console.log(toBinary(1.1)); // 3f f1 99 99 99 99 99 9a
console.log(toBinary(1.1, { littleEndian: true })); // 9a 99 99 99 99 99 f1 3f
console.log(toBinary(20, { type: "Int8", radix: 2 })); // 00010100

Dies sind einige Beispiele von APIs, die Typed Arrays verwenden; es gibt andere, und es werden ständig neue hinzugefügt.

FileReader.prototype.readAsArrayBuffer()

Die Methode FileReader.prototype.readAsArrayBuffer() beginnt mit dem Lesen des Inhalts des angegebenen Blob oder File.

fetch()

Die body Option von fetch() kann ein Typed Array oder ArrayBuffer sein, sodass Sie diese Objekte als Nutzlast einer POST Anfrage senden können.

ImageData.data

Ist eine Uint8ClampedArray und stellt ein eindimensionales Array dar, das die Daten in RGBA-Reihenfolge mit ganzzahligen Werten zwischen 0 und 255 enthält.

Zunächst müssen wir einen Puffer erstellen, hier mit einer festen Länge von 16-Bytes:

const buffer = new ArrayBuffer(16);

Zu diesem Zeitpunkt haben wir ein Speicherelement, dessen Bytes alle auf 0 vorinitialisiert sind. Viel können wir jedoch damit noch nicht machen. Zum Beispiel können wir bestätigen, dass der Puffer die richtige Größe hat:

if (buffer.byteLength === 16) {
  console.log("Yes, it's 16 bytes.");
} else {
  console.log("Oh no, it's the wrong size!");
}

Bevor wir wirklich mit diesem Puffer arbeiten können, müssen wir eine Ansicht erstellen. Lassen Sie uns eine Ansicht erstellen, die die Daten im Puffer als Array von 32-Bit vorzeichenbehafteten Integern behandelt:

const int32View = new Int32Array(buffer);

Nun können wir auf die Felder im Array wie auf ein normales Array zugreifen:

for (let i = 0; i < int32View.length; i++) {
  int32View[i] = i * 2;
}

Dies füllt die 4 Einträge im Array (4 Einträge mit jeweils 4 Bytes ergeben insgesamt 16 Bytes) mit den Werten 0, 2, 4 und 6.

Es wird wirklich interessant, wenn man bedenkt, dass man mehrere Ansichten auf dieselben Daten erstellen kann. Zum Beispiel können wir mit dem obigen Code folgendermaßen fortfahren:

const int16View = new Int16Array(buffer);

for (let i = 0; i < int16View.length; i++) {
  console.log(`Entry ${i}: ${int16View[i]}`);
}

Hier erstellen wir eine 16-Bit Integer Ansicht, die denselben Puffer wie die bestehende 32-Bit Ansicht teilt und geben alle Werte im Puffer als 16-Bit Integer aus. Jetzt erhalten wir die Ausgabe 0, 0, 2, 0, 4, 0, 6, 0 (bei Annahme von Little-Endian Kodierung):

Int16Array  |   0  |  0   |   2  |  0   |   4  |  0   |   6  |  0   |
Int32Array  |      0      |      2      |      4      |      6      |
ArrayBuffer | 00 00 00 00 | 02 00 00 00 | 04 00 00 00 | 06 00 00 00 |

Man kann noch einen Schritt weiter gehen. Betrachten Sie dies:

int16View[0] = 32;
console.log(`Entry 0 in the 32-bit array is now ${int32View[0]}`);

Die Ausgabe daraus ist "Eintrag 0 im 32-Bit Array ist jetzt 32".

Mit anderen Worten, die beiden Arrays betrachten tatsächlich denselben Datenpuffer, indem sie ihn als unterschiedliche Formate behandeln.

Int16Array  |  32  |  0   |   2  |  0   |   4  |  0   |   6  |  0   |
Int32Array  |     32      |      2      |      4      |      6      |
ArrayBuffer | 20 00 00 00 | 02 00 00 00 | 04 00 00 00 | 06 00 00 00 |

Man kann dies mit jedem Ansichtstyp machen, obwohl, wenn man ein Integer setzt und es dann als Gleitkommazahl liest, wird man wahrscheinlich ein seltsames Ergebnis bekommen, weil die Bits unterschiedlich interpretiert werden.

const float32View = new Float32Array(buffer);
console.log(float32View[0]); // 4.484155085839415e-44

Puffer stellen nicht immer Zahlen dar. Zum Beispiel kann das Lesen einer Datei Ihnen einen Textdatenpuffer geben. Sie können diese Daten aus dem Puffer mithilfe eines Typed Arrays lesen.

Das folgende liest UTF-8 Text mit der TextDecoder Web-API:

const buffer = new ArrayBuffer(8);
const uint8 = new Uint8Array(buffer);
// Data manually written here, but pretend it was already in the buffer
uint8.set([228, 189, 160, 229, 165, 189]);
const text = new TextDecoder().decode(uint8);
console.log(text); // "你好"

Das folgende Beispiel liest UTF-16 Text unter Verwendung der Methode String.fromCharCode():

const buffer = new ArrayBuffer(8);
const uint16 = new Uint16Array(buffer);
// Data manually written here, but pretend it was already in the buffer
uint16.set([0x4f60, 0x597d]);
const text = String.fromCharCode(...uint16);
console.log(text); // "你好"

Indem Sie einen einzigen Puffer mit mehreren Ansichten unterschiedlicher Typen kombinieren, die an unterschiedlichen Offsets in den Puffer starten, können Sie mit Datenobjekten interagieren, die mehrere Datentypen enthalten. Dies ermöglicht es Ihnen beispielsweise, mit komplexen Datenstrukturen von WebGL oder Datendateien zu interagieren.

Betrachten Sie diese C-Struktur:

struct someStruct {
  unsigned long id;
  char username[16];
  float amountDue;
};

Sie können auf einen Puffer zugreifen, der Daten in diesem Format enthält:

const buffer = new ArrayBuffer(24);

// ... read the data into the buffer ...

const idView = new Uint32Array(buffer, 0, 1);
const usernameView = new Uint8Array(buffer, 4, 16);
const amountDueView = new Float32Array(buffer, 20, 1);

Dann können Sie beispielsweise auf den fälligen Betrag mit amountDueView[0] zugreifen.

Nach der Verarbeitung eines Typed Arrays ist es manchmal nützlich, es zurück in ein normales Array zu konvertieren, um vom Array Prototyp zu profitieren. Dies kann mit Array.from() gemacht werden:

const typedArray = new Uint8Array([1, 2, 3, 4]);
const normalArray = Array.from(typedArray);

ebenso wie mit der Spread-Syntax:

const typedArray = new Uint8Array([1, 2, 3, 4]);
const normalArray = [...typedArray];

• Schnellere Canvas-Pixelmanipulation mit Typed Arrays auf hacks.mozilla.org (2011)
• Typed Arrays - Binärdaten im Browser auf web.dev (2012)
• Endianness
• ArrayBuffer
• DataView
• TypedArray
• SharedArrayBuffer

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