深入理解JavaScript字節二進制知識以及相關API
目錄
- 字節
- 字節序
- Blob
- File
- 對Blob和File的讀取
- ArrayBuffer
- TypeArray
- DataView
- Blob和ArrayBuffer
當前，前端對二進制數據有許多的API可以使用，這豐富了前端對文件數據的處理能力，有了這些能力，就能夠對圖片等文件的數據進行各種處理。
本文將著重介紹一些前端二進制數據處理相關的API知識，如Blob、File、FileReader、ArrayBuffer、TypeArray、DataView等等。
字節
在介紹各種API之前，我們需要先了解下和字節有關的知識。
我們知道，計算機是二進制的世界，而字節(byte)是計算機技術中關于二進制數據的一種基本單位，1字節有8個二進制位，即8比特(bit)。
比特又叫位，一位二進制數據要么是0、要么是1，只有兩種狀態，所以1比特有2種狀態。
1字節有8比特，即8個二進制位，那就能表示 2**8 = 256 種狀態，取值從 00000000 到 11111111。
字節作為基本單位，在很多地方都被使用，如字符編碼知識，見前文前端需要搞懂的字符編碼：ASCII、Unicode、UTF8、UTF16等。
二進制數據在存儲的時候，以字節為單位，這里還涉及到一個關于字節序的知識。
字節序
字節序描述的是計算機如何存儲字節。
因為我們知道，內存存儲都有索引地址，每個字節對應一個索引地址。一個字節存儲8位二進制，即0到255之間，但需要存儲大于255的數值的時候，就需要多個字節，多個字節就涉及到排序問題。
所以字節序就是：當需要多個字節表示一個值的時候，這多個字節使用什么樣的排序方式在內存中進行存儲。
而排序方式主要是兩種：大端存儲(big-endian)和小端存儲(little-endian)。
大端存儲和小端存儲
大端存儲又稱大字節序、高字節序，方式是低位字節排在內存中的高地址端，高字節位排放在內存中的低地址端。圖片文件 png、jpg都是這種方式。
小端存儲又稱為小字節序、低字節序，方式是低位字節排在內存中的低地址端，高位字節排在內存中的高地址端。圖片文件gif是小端序。
示例
當我們使用不同的字節序存儲數字 0x12345678 (這里是16進制表示，對應的十進制：305419896。進制相關知識可見前文Javascript中的進制和進制轉換)：
大端存儲在內存中的存儲地址：
小端存儲在內存中的存儲地址：
這里數字字節的高-低位是從左到右，最高位是 12，最低位是 78；而內存中存儲時從左到右是低地址——高地址。
所以在大端序中高位字節的 12 在內存最左邊的低地址位，而低字節位 78 則在內存最右邊的高地址位；而小端序則正好相反。
從視覺習慣上，大端存儲似乎更順眼，但無論哪種方式，計算的結果都是一樣的，只是在計算的時候需要處理這個排序方式，下文會涉及到。
Blob
Blob，即 Binary large Object，本質上是一個二進制對象，該對象表示的是一個不可變、原始數據的類文件對象。
它的不可變，代表它是只讀的，不可被改變。
Blob對象的構造函數語法：new Blob(array, options)。
參數array：是一個數據數組，可以是多種對象的數據，包含 ArrayBuffer、Blob、String 等等。
參數options：可選對象，指定兩個屬性：
type表示Blob對象數據的MIME類型；endings指定包含行結束符\n的字符串如何寫入。
我們可以使用構造函數直接創建一個新的 Blob 對象：
const blob = new Blob(["123456789"], {type : "text/plain"});新創建的對象實例，結構如下：
從以上示例，我們就可以看到Blob對象的方法和屬性：
實例屬性
- size：Blob對象中數據的字節大小
- type：字符串，表示Blob對象數據的MIME類型
示例方法
1.arrayBuffer()：返回包含Blob所有內容的二進制格式的ArrayBuffer的一個promise對象
2.stream()：返回能讀取Blob的ReadableStream對象
3.text()：返回包含Blob所有內容的字符串(UTF-8編碼)的一個promise對象
4.slice([start [, end [, contentType]]])：
- 該方法有三個可選參數，可用于分割Blob數據
- 它根據指定的起始和結束位置，返回原Blob在該范圍的數據，得到一個新的Blob對象
- 第三個參數
contentType可以為新Blob對象指定自己的MIME類型
可以針對上面的 blob 實例進行操作：
blob.slice(0, 3).text().then(res => { console.log(res)})// 結果：123以上代碼，使用slice()方法獲取原blob的前三位的數據，生成新的Blob實例后，通過text()方法打印出文本內容。
下面可以看看Blob在接口請求中的應用，Fetch API中的 Response 對象，擁有一個blob方法，能夠得到Blob對象。
const imgRequst = new Request("11.jpg")fetch(imgRequst).then((response) => { return response.blob()}).then((mBlob) => { console.log(mBlob)})通過以上代碼，請求一個jpg圖片文件，響應對象通過 blob() 方法轉為Blob對象：
File
File對象繼承了Blob對象，是一種特殊類型的Blob，它擴展了對系統文件的支持能力。
File提供文件信息，并能夠在javascript中進行訪問，一般在使用 <input> 標簽選擇文件時返回，因為 <input> 標簽允許選擇多個文件，這里返回的是文件列表 files。
除了 <input> 標簽以外，還有兩種方式返回File對象：
- 自由拖放操作生成的
DataTransfer對象。 - 文件系統訪問API中的
FileSystemFileHandle對象的getFile()方法。
File的構造函數：new File(bits, name[, options])。 有三個參數：
bits：是一個數據數組，可以是多種對象的數據，與Blob對象類似
name：文件名稱
options：可選屬性對象，包含兩個選項
- type：MIME類型字符串
- lastModified：時間戳，表示文件的最后修改時間
下面代碼，通過 <input> 標簽讀取文件：
<input id="input-file" type="file" accept="image/*" />
document.getElementById("input-file").onchange = (e) => { const file = e.target.files[0] console.log(file) // ...}這是一個簡單的圖片上傳，獲取到的file實例，控制臺打印出來：
通過上圖(chrome瀏覽器下)，可以看到File繼承了Blob的素有屬性和方法：
屬性除了size和type以外，File還有自己的幾個屬性
- lastModified：只讀，時間戳，文件最后修改時間
- name：只讀，文件名 lastModifiedDate：只讀，文件最后修改時間的 Date 對象，該對象已廢棄
- webkitRelativePath：非標準屬性，返回path或URL
File沒有自己的實例方法，都繼承自Blob
對Blob和File的讀取
File繼承自Blob，都是只讀對象，除了使用slice分片以外，并沒有其他操作能力，所以如果對它們進行處理需要借助其他的API。
主要用于操作Blob的API有：FileReader、URL.createObjectURL()、createImageBitmap()和XMLHttpRequest.send()。下面將介紹這幾種方式。
Blob和File都是 WebAPI，是由瀏覽器環境提供的，而上面提到這四種對象也同樣是WebAPI。
FileReader
FileReader是用于異步讀取文件類型（或原始數據緩沖區）的內容，指定Blob或File對象為需要讀取的文件數據。
FileReader 不能在文件系統中用路徑名的方式讀取文件。
構造函數：new FileReader()。
如果對文件處理功能開發較多，對FileReader對象應該較熟，我們先看一個示例：
document.getElementById("input-file").onchange = (e) => { const file = e.target.files[0] const reader = new FileReader() reader.onload = async (event) => { const img = new Image() img.src = event.target.result } reader.readAsDataURL(file)}以上代碼，就是很常用的，使用FileReader讀取一個圖片文件的Base64數據，然后使用圖片對象加載。Base64知識，可參考前文深入理解Base64編碼字符串。
這段代碼也涉及到FileReader對像的屬性、事件、方法。
FileReader的屬性 事件和方法
屬性(皆只讀)
error：在讀取文件時發生的錯誤
readyState：表示當前讀取狀態
result：文件內容，讀取狀態完成時才有效
方法
- abort()：中止讀取操作。在返回時，readyState屬性為DONE
- readAsArrayBuffer()：以ArrayBuffer類型讀取Blob中的內容
- readAsBinaryString()：以原始二進制數據類型讀取Blob中的內容
- readAsDataURL()：以Base64字符串類型讀取Blob中的內容
- readAsText()：以文本字符串類型讀取Blob中的內容
事件
- onabort：讀取操作被中斷時觸發
- onerror：讀取操作發生錯誤時觸發
- onload：讀取操作完成時觸發
- onloadstart：讀取操作開始時觸發
- onloadend：讀取操作結束時觸發
- onprogress：讀取Blob時觸發
URL.createObjectURL()
URL是瀏覽器環境提供的，用于處理url鏈接的一個接口對象。可以通過它，解析、構造、規范和編碼各種url鏈接。
而URL提供的一個靜態方法 createObjectURL()，可以用來處理Blob和File文件對象。
先看一個例子：
document.getElementById("input-file").onchange = (e) => { const file = e.target.files[0] const url = URL.createObjectURL(file) const img = new Image() img.onload = () => { document.body.append(img) } img.src = url}頁面展示：
這段代碼就實現了上傳圖片，通過 URL.createObjectURL 讀取后生成一個本地映射的url，再使用Image對象加載圖片。
通過查看頁面元素，可以看到新添加的圖片元素，它的src是一個類似鏈接的字符串：blob:http://localhost:8088/29c8f4a5-9b47-436f-8983-03643c917f1c，通過這個字符串，圖片就能加載顯示出來。
再來看 createObjectURL()，它返回一個包含給定的Blob或File對象的url，就可以當做文件資源被加載。而這個url的生命周期和它的窗口同步，窗口關閉這個url就自動釋放了。
這個url就是被稱為偽協議的Objct URL。
Object URL
Object URL 又被稱為Blob URL，一般使用Blob或File對象生成，通過 URL.createObjectURL() 方法創建一個唯一的URL。
Object URL的格式為：blob:origin/唯一標識(uuid)。
上面生成的URL字符串就符合這個格式：blob:http://localhost:8088/29c8f4a5-9b47-436f-8983-03643c917f1c。
- origin 對應的
http://localhost:8088/，如果直接打開本地html文件，則origin為null。 - uuid 對應
29c8f4a5-9b47-436f-8983-03643c917f1c。
瀏覽器內部會為生成Object URL保持一個 URL 到 Blob 的映射，Blob是留存在內存中，瀏覽器只有在卸載當前窗口文檔時才會釋放。
如果要手動釋放，則需要URL的另外一個靜態方法：URL.revokeObjectURL()，它用于銷毀之前創建的URL實例，在合適的時機調用即可銷毀Object URL。
URL.revokeObjectURL(url)
XMLHttpRequest.send()
XMLHttpRequest.send(body)：用于在XHR的HTTP請求中，發送數據體。
這里的body參數，可以是多種數據類型，包括Blob對象。
const xhr = new XMLHttpRequest()xhr.send(new Blob())
createImageBitmap()
createImageBitmap(): 主要處理圖片資源，接受不同的圖片資源對象為參數，并生成一個ImageBitmap對象。
這些參數就就可以是Blob和File對象。
ImageBitmap表示可以繪制在canvas上的位圖圖像。
createImageBitmap(file).then(imageBitmap => { const canvas = document.createElement("canvas") canvas.width = imageBitmap.width canvas.height = imageBitmap.height const ctx = canvas.getContext("2d") ctx.drawImage(imageBitmap, 0, 0) document.body.append(canvas)})如上代碼，即可讀取圖片文件，使用canvas繪制。
ArrayBuffer
ArrayBuffer 對象表示通用的、固定長度的原始二進制緩沖區，它是一個字節數組，但不能直接操作它的內容，而需要通過其他方式(如TypeArray或DataView等)進行處理。
構造函數：new ArrayBuffer(length)，返回一個指定大小的ArrayBuffer對象。
參數length：要創建的 ArrayBuffer 的字節大小。大于Number.MAX_SAFE_INTEGER（>= 2 ** 53）或為負數，則拋出一個RangeError異常。
下面我們先使用前面介紹的 FileReader 讀取一個文件的ArrayBuffer內容：
document.getElementById("input-file").onchange = (e) => { const file = e.target.files[0] const reader = new FileReader() reader.onload = async (event) => { console.log(event.target.result) } reader.readAsArrayBuffer(file)}控制臺日志打印輸出：
從上圖，可以看到ArrayBuffer的實例屬性和方法：
- byteLength：表示字節大小，不可改變
- slice(begin[, end])：根據指定位置范圍返回一個新的ArrayBuffer，可以分割ArrayBuffer。
ArrayBuffer還有靜態屬性和方法：
- ArrayBuffer.length：構造函數的length屬性，值為1
- ArrayBuffer.isView(arg)：如果參數是ArrayBuffer的視圖實例則返回true。
由于我們無法直接操作ArrayBuffer，所以需要使用其他對象來處理，下面將介紹其中兩種。
TypeArray
TypeArray，即類型化數組，它描述了二進制數據緩沖區的一個類數組。TypeArray本身不是一個可用的對象，只是一個輔助的數據類型，作為所有類型數組的構造原型，真正可用的類型數組包含了多種，如Int8Array、Uint8Array等。
常用的類型數組如下表所示：
類型化數組與普通數據也較相似，同樣擁有一系列的方法和屬性，但不支持 push、pop、shift、unshift、splice 等可以改變原數組的增刪改方法。
類型化數組由于定義了數據類型，則各元素必須是同類型的數據，不能像普通數據那樣元素可以是不同類型；當元素數據類型固定統一時，處理效率更優。
各類型數組在構造函數、屬性、方法等語法上相同，本節就以 Uint8Array 為例。
語法
Uint8Array構造函數：
new Uint8Array()new Uint8Array(length)new Uint8Array(typedArray)new Uint8Array(object)new Uint8Array(buffer [, byteOffset [, length]])
靜態屬性和方法：
- BYTES_PER_ELEMENT：返回數組元素所占字節數，Uint8Array中的值是1，Uint32Array中的值是4，見上表
- length：固定長度，Uint8Array中的值是1，Uint32Array中的值是3，基本沒用
- name：類型數組返回自己的構造名，Uint8Array類型返回
Uint8Array，Uint32Array類型返回Uint32Array等等 - from(source[, mapFn[, thisArg]])：從源類型數組中返回一個新的數組
- of(element0[, element1[, ...[, elementN]]])：創建一個具有可變數量參數的新類型數組
實例屬性和方法
介紹完靜態屬性和方法，下面通過一個示例，來查看下Uint8Array的實例屬性和方法，代碼如下。
const reader = new FileReader()reader.onload = async (event) => { const aBuffer = event.target.result const uint8Array = new Uint8Array(aBuffer) console.log(uint8Array)}reader.readAsArrayBuffer(file)以上代碼，直接讀取文件的ArrayBuffer數據，然后通過 Uint8Array 構造函數，得到Uint8Array實例，控制臺查看：
通過加載一張png圖片，得到它的Uint8Array數組數據，可以看到類型數組大部分的屬性和方法都和普通數組類似，除了前文提到的增刪改數組的方法以外。因此，對類型數組使用下標、循環等等方式進行讀取，和普通函數沒什么兩樣。
而類型數組也自己的特殊屬性(都只讀)和方法，如下：
- buffer：返回類型數組引用的ArrayBuffer
- byteLength：字節數長度
- byteOffset：相對源ArrayBuffer的偏移字節數
- length：數組長度
- set(array[, offset])：從給定數組中讀取元素值，并存儲在類型數組中
- subarray(begin, end)：給定開始和結尾索引，返回一個新的類型數組
類型數組間的關系
要了解常見類型數組間的關系，我們先看下面這張圖：
圖上所示，是一張png圖片的ArrayBuffer數據，可以看到，ArrayBuffer的字節長度屬性默認取8位整型數組的長度，即與Int8Array和Uint8Array的長度一致。
而Int8Array的長度29848，正好是Int16Array的長度14924的兩倍，是Int32Array的長度7462的四倍，可知，這里就是對字節的合并計算：
- Int8Array(Uint8Array) 轉 Int16Array(Uint16Array)，需要依序合并兩個字節后計算數值。
- Int8Array(Uint8Array) 轉 Int32Array(Uint32Array)，需要依序合并四個字節后計算數值。
- Int16Array(Uint16Array) 轉 Int32Array(Uint32Array)，需要依序合并兩個字節后計算數值。
讀取GIF文件示例
類型數組通過數組的方式對ArrayBuffer的內容進行讀取操作，可以方便我們處理文件的二進制數據。 但使用類型數組的時候，碰到多字節的數據時，需要考慮字節序的問題。
下面，我們以讀取小端存儲的GIF圖片為例。
GIF圖片的Uint8Array數組數據中，寬高數據的存儲就是使用了兩個字節，第7-8位存儲圖片的寬度，9-10位存儲圖片的高度。
我們加載的GIF圖片寬高皆為600，需要處理字節序，代碼如下：
const uint8Array = new Uint8Array(aBuffer)let bufferIndex = 6// 獲取GIF寬度的兩個字節的值const width1 = uint8Array[bufferIndex]// width1 結果：88const width2 = uint8Array[bufferIndex + 1]// width2 結果：2// 得到各自的16進制數據const width1hex = width1.toString(16)const width2hex = width2.toString(16)// 轉換成實際的寬度大小，注意這里把兩個字節的順序做了調整，符合小端序const width = parseInt(width2hex + width1hex, 16)// width 結果：600
使用小端序處理后，寬度結果等于600，符合圖片實際寬度。
自己手動處理字節序會稍顯麻煩，如果不想手動去處理字節序的問題，可以使用另外一個對象：DataView。
DataView
DataView 是一個從 ArrayBuffer 中讀取多種類型數值并且不用考慮字節序的接口對象。它的使用簡單方便，擁有一系列的 get- 和 set- 實例方法操作數據。
DataView的構造函數：new DataView(buffer [, byteOffset [, byteLength]])。 參數：
- buffer：源ArrayBuffer
- byteOffset：buffer中的字節偏移量
- byteLength：字節長度
DataView不用考慮字節序，同樣是讀取GIF的寬度時，代碼可簡化：
const fileDataView = new DataView(arrBuffer)let bufferIndex = 6const width = fileDataView.getUint16(bufferIndex, true)// 結果：600bufferIndex += 2const height = fileDataView.getUint16(bufferIndex, true)// 結果：600
以上代碼，很方便就得到GIF圖片的寬高數據(600)，因為使用了 DataView 和它的 getUint16 方法，不需要手動處理字節序。
getUint16方法有兩個參數：第一個參數代表字節索引；第二參數表示字節序，默認大端序，為true則是小端序，GIF是小端，所以上面代碼為true。
除了getUint16以外，DataView 還有十多個類似的實例方法。
DataView的get和set系列方法
get系列方法通過字節偏移索引獲取對應的數值，其中多字節的數據，需要兩個參數：
- byteOffset：讀取時的字節偏移量
- littleEndian：字節序，默認大端，設為true則是小端
set系列方法是和get方法對應的，處理相應字節偏移索引位置的數值，參數如下：
- byteOffset：讀取時的字節偏移量
- value：設置相應類型的數值
- littleEndian：字節序，默認大端，設為true則是小端
Blob和ArrayBuffer
對于Blob和ArrayBuffer兩個對象，我們可以稍做總結：
- Blob是Web API，瀏覽器環境提供，讀取它可以使用FileReader、URL.createObjectURL等WebAPI；ArrayBuffer是JS語言內置對象，處理它則需要使用TypeArray、DataView等JS-API。
- Blob表示不可變的類文件數據；ArrayBuffer則表示原始數據緩沖區。
- Blob用于讀取類文件數據，不對應內存；ArrayBuffer用于讀取內存數據。
- Blob和ArrayBuffer都需要通過其他對象才能操作數據。
- Blob和ArrayBuffer可以使用不同方式進行相互之間的轉換。
- 要操作字節二進制數據，得依賴ArrayBuffer和輔助它的操作對象。
Blob和ArrayBuffer之間的轉換：
- 使用Blob構造函數可以讀取ArrayBuffer，生成一個新的Blob。
- 通過Blob實例的arrayBuffer()方法，可以獲取到對應的ArrayBuffer。
- 通過FileReader對象的readAsArrayBuffer()方法，將Blob讀取為ArrayBuffer。
如下代碼，進行二者之間的轉換：
const aBuffer = new ArrayBuffer(4)// 使用Blob構造函數const blob = new Blob([aBuffer])// Blob的arrayBuffer()方法（promise）blob.arrayBuffer()// FileReaderconst reader = new FileReader()reader.readAsArrayBuffer(blob)
以上就是深入理解JavaScript字節二進制知識以及相關API的詳細內容，更多關于JavaScript字節二進制的資料請關注其它相關文章！
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