深入理解前端位元組二進位知識以及相關API

當前，前端對二進位數據有許多的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位數據處理相關的API知識，如Blob、File、FileReader、ArrayBuffer、TypeArray、DataView等等。

位元組

在介紹各種API之前，我們需要先瞭解下和位元組有關的知識。

我們知道，電腦是二進位的世界，而位元組(byte)是電腦技術中關於二進位數據的一種基本單位，1位元組有8個二進位位，即8比特(bit)。

比特又叫位，一位二進位數據要麼是0、要麼是1，只有兩種狀態，所以1比特有2種狀態。
1位元組有8比特，即8個二進位位，那就能表示 2**8 = 256 種狀態，取值從 00000000 到 11111111。

位元組作為基本單位，在很多地方都被使用，如字元編碼知識，見前文前端需要瞭解的編碼知識。

二進位數據在存儲的時候，以位元組為單位，這裡還涉及到一個關於位元組序的知識。

位元組序

位元組序描述的是電腦如何存儲位元組。
因為我們知道，記憶體存儲都有索引地址，每個位元組對應一個索引地址。一個位元組存儲8位二進位，即0到255之間，但需要存儲大於255的數值的時候，就需要多個位元組，多個位元組就涉及到排序問題。
所以位元組序就是：當需要多個位元組表示一個值的時候，這多個位元組使用什麼樣的排序方式在記憶體中進行存儲。
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

大端存儲又稱大位元組序、高位元組序，方式是低位位元組排在記憶體中的高地址端，高位元組位排放在記憶體中的低地址端。圖片文件 png、jpg都是這種方式。
小端存儲又稱為小位元組序、低位元組序，方式是低位位元組排在記憶體中的低地址端，高位位元組排在記憶體中的高地址端。圖片文件gif是小端序。

示例

當我們使用不同的位元組序存儲數字 0x12345678 (這裡是16進位表示，對應的十進位：305419896。進位相關知識可見前文Javascript中的進位和進位轉換：

大端存儲在記憶體中的存儲地址：

小端存儲在記憶體中的存儲地址：

這裡數字位元組的高-低位是從左到右，最高位是 12，最低位是 78；而記憶體中存儲時從左到右是低地址——高地址。
所以在大端序中高位位元組的 12 在記憶體最左邊的低地址位，而低位元組位 78 則在記憶體最右邊的高地址位；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，本質上是一個二進位對象，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的字元串如何寫入。

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對象中數據的位元組大小
  • type：字元串，表示Blob對象數據的MIME類型
• 示例方法
  • arrayBuffer()：返回包含Blob所有內容的二進位格式的ArrayBuffer的一個promise對象
  • stream()：返回能讀取Blob的ReadableStream對象
  • text()：返回包含Blob所有內容的字元串(UTF-8編碼)的一個promise對象
  • slice([start [, end [, contentType]]])：
    • 該方法有三個可選參數，可用於分割Blob數據
    • 它根據指定的起始和結束位置，返回原Blob在該範圍的數據，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實例後，通過text()方法列印出文本內容。

下麵可以看看Blob在介面請求中的應用，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，並能夠在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，這裡返回的是文件列表 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類型字元串
  • lastModified：時間戳，表示文件的最後修改時間

下麵代碼，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，控制台列印出來：

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，文件最後修改時間
  • name：只讀，文件名
    lastModifiedDate：只讀，文件最後修改時間的 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，並沒有其他操作能力，所以如果對它們進行處理需要藉助其他的API。
主要用於操作Blob的API有：FileReader、URL.createObjectURL()、createImageBitmap()和XMLHttpRequest.send()。下麵將介紹這幾種方式。

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是用於非同步讀取文件類型（或原始數據緩衝區）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，然後使用圖片對象載入。Base64知識，可參考前文深入理解Base64編碼字元串。
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

    常量名	值	狀態描述
    EMPTY	0	沒有載入
    LOADING	1	正在載入
    DONE	2	已完成全部讀取

  • 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()：以原始二進位數據類型讀取Blob中的內容
  • readAsDataURL()：以Base64字元串類型讀取Blob中的內容
  • readAsText()：以文本字元串類型讀取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，用於處理url鏈接的一個介面對象。可以通過它，解析、構造、規範和編碼各種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 讀取後生成一個本地映射的url，再使用Image對象載入圖片。
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元串：blob:http://localhost:8088/29c8f4a5-9b47-436f-8983-03643c917f1c，通過這個字元串，圖片就能載入顯示出來。
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載入。而這個url的生命周期和它的視窗同步，視窗關閉這個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字元串就符合這個格式：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是留存在記憶體中，瀏覽器只有在卸載當前視窗文檔時才會釋放。

如果要手動釋放，則需要URL的另外一個靜態方法：URL.revokeObjectURL()，它用於銷毀之前創建的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)：用於在XHR的HTTP請求中，發送數據體。
這裡的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，並生成一個ImageBitmap對象。
這些參數就就可以是Blob和File對象。

ImageBitmap表示可以繪製在canvas上的點陣圖圖像。

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繪製。

ArrayBuffer

ArrayBuffer 對象表示通用的、固定長度的原始二進位緩衝區，它是一個位元組數組，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 的位元組大小。大於Number.MAX_SAFE_INTEGER（>= 2 ** 53）或為負數，則拋出一個RangeError異常。

下麵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)
}

控制台日誌列印輸出：

從上圖，可以看到ArrayBuffer的實例屬性和方法：

• byteLength：表示位元組大小，不可改變
• slice(begin[, end])：根據指定位置範圍返回一個新的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。

由於我們無法直接操作ArrayBuffer，所以需要使用其他對象來處理，下麵將介紹其中兩種。

TypeArray

TypeArray，即類型化數組，它描述了二進位數據緩衝區的一個類數組。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。
類型化數組由於定義了數據類型，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，下麵就以 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]])

length 參數的最大取值

8 位類數組是 2145386496
16 位類數組是 1072693248
32 位類數組是 536346624
32 位類數組是 268173312

靜態屬性和方法

• BYTES_PER_ELEMENT：返回數組元素所占位元組數，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，下麵通過一個示例，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，然後通過 Uint8Array 構造函數，得到Uint8Array實例，控制台查看：

通過載入一張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、迴圈等等方式進行讀取，和普通函數沒什麼兩樣。

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：位元組數長度
• byteOffset：相對源ArrayBuffer的偏移位元組數
• length：數組長度
• set(array[, offset])：從給定數組中讀取元素值，並存儲在類型數組中
• subarray(begin, end)：給定開始和結尾索引，返回一個新的類型數組

類型數組間的關係

要瞭解常見類型數組間的關係，我們先看下麵這張圖：

圖上所示，是一張png圖片的ArrayBuffer數據，可以看到，ArrayBuffer的位元組長度屬性預設取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，這裡就是對位元組的合併計算：

• Int8Array(Uint8Array) 轉 Int16Array(Uint16Array)，需要依序合併兩個位元組後計算數值。
• Int8Array(Uint8Array) 轉 Int32Array(Uint32Array)，需要依序合併四個位元組後計算數值。
• Int16Array(Uint16Array) 轉 Int32Array(Uint32Array)，需要依序合併兩個位元組後計算數值。

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位數據。
但使用類型數組的時候，碰到多位元組的數據時，需要考慮位元組序的問題。

下麵，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位元組，第7-8位存儲圖片的寬度，9-10位存儲圖片的高度。

我們載入的GIF圖片寬高皆為600，需要處理位元組序，代碼如下：

const uint8Array = new Uint8Array(aBuffer)
let bufferIndex = 6
// 獲取GIF寬度的兩個位元組的值
const width1 = uint8Array[bufferIndex]
// width1 結果：88
const width2 = uint8Array[bufferIndex + 1]
// width2 結果：2

// 得到各自的16進位數據
const width1hex = width1.toString(16)
const width2hex = width2.toString(16)
// 轉換成實際的寬度大小，註意這裡把兩個位元組的順序做了調整，符合小端序
const width = parseInt(width2hex + width1hex, 16)
// width 結果：600

使用小端序處理後，寬度結果等於600，符合圖片實際寬度。
自己手動處理位元組序會稍顯麻煩，如果不想手動去處理位元組序的問題，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並且不用考慮位元組序的介面對象。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中的位元組偏移量
• byteLength：位元組長度

DataView不用考慮位元組序，同樣是讀取GIF的寬度時，代碼可簡化：

const fileDataView = new DataView(arrBuffer)
let bufferIndex = 6
const width = fileDataView.getUint16(bufferIndex, true)
// 結果：600
bufferIndex += 2
const 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，不需要手動處理位元組序。
getUint16 方法有兩個參數：第一個參數代表位元組索引；第二參數表示位元組序，預設大端序，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系列方法通過位元組偏移索引獲取對應的數值，其中多位元組的數據，需要兩個參數：

• byteOffset：讀取時的位元組偏移量
• littleEndian：位元組序，預設大端，設為true則是小端

set系列方法是和get方法對應的，處理相應位元組偏移索引位置的數值，參數如下：

• byteOffset：讀取時的位元組偏移量
• value：設置相應類型的數值
• littleEndian：位元組序，預設大端，設為true則是小端

Blob和ArrayBuffer

對於Blob和ArrayBuffer兩個對象，我們可以稍做總結：

1. 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。
2. Blob表示不可變的類文件數據；ArrayBuffer則表示原始數據緩衝區。
3. Blob用於讀取類文件數據，不對應記憶體；ArrayBuffer用於讀取記憶體數據。
4. Blob和ArrayBuffer都需要通過其他對象才能操作數據。
5. Blob和ArrayBuffer可以使用不同方式進行相互之間的轉換。
6. 要操作位元組二進位數據，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：

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()
// FileReader
const reader = new FileReader()
reader.readAsArrayBuffer(blob)