### 彪哥

爱好前端

- ECMAScript 6 简介
- let 和 const 命令
- 变量的解构赋值
- 字符串的扩展
- 字符串的新增方法
- 正则的扩展
- 数值的扩展
- 函数的扩展
- 数组的扩展
- 对象的扩展
- 对象的新增方法
- Symbol
- Set 和 Map 数据结构
- Proxy
- Reflect
- Promise 对象
- Iterator 和 for-of 循环
- Generator 函数的语法
- Generator 函数的异步应用
- async 函数
- Class 的基本语法
- Class 的继承
- Module 的语法
- Module 的加载实现
- 编程风格
- 读懂 ECMAScript 规格
- 异步遍历器
- ArrayBuffer
  - ArrayBuffer 对象
    - 概述
    - ArrayBuffer.prototype.byteLength
    - ArrayBuffer.prototype.slice()
    - ArrayBuffer.isView()
  - TypedArray 视图
    - 概述
    - 构造函数
    - 数组方法
    - 字节序
    - BYTESPERELEMENT 属性
    - ArrayBuffer 与字符串的互相转换
    - 溢出
    - TypedArray.prototype.buffer
    - TypedArray.prototype.byteLength，TypedArray.prototype.byteOffset
    - TypedArray.prototype.length
    - TypedArray.prototype.set()
    - TypedArray.prototype.subarray()
    - TypedArray.prototype.slice()
    - TypedArray.of()
    - TypedArray.from()
  - 复合视图
  - DataView 视图
  - 二进制数组的应用
    - AJAX
    - Canvas
    - WebSocket
    - Fetch API
    - File API
  - SharedArrayBuffer
  - Atomics 对象
- 最新提案
- 装饰器
- 函数式编程
- Mixin
- SIMD
- 参考链接

- 《ES6 教程》笔记

阮一峰
2020-02-09
目录

# ArrayBuffer

# # ArrayBuffer

`ArrayBuffer`对象、`TypedArray`视图和`DataView`视图是 JavaScript 操作二进制数据的一个接口。这些对象早就存在，属于独立的规格（2011 年 2 月发布），ES6 将它们纳入了 ECMAScript 规格，并且增加了新的方法。它们都是以数组的语法处理二进制数据，所以统称为二进制数组。 这个接口的原始设计目的，与 WebGL 项目有关。所谓 WebGL，就是指浏览器与显卡之间的通信接口，为了满足 JavaScript 与显卡之间大量的、实时的数据交换，它们之间的数据通信必须是二进制的，而不能是传统的文本格式。文本格式传递一个 32 位整数，两端的 JavaScript 脚本与显卡都要进行格式转化，将非常耗时。这时要是存在一种机制，可以像 C 语言那样，直接操作字节，将 4 个字节的 32 位整数，以二进制形式原封不动地送入显卡，脚本的性能就会大幅提升。

二进制数组就是在这种背景下诞生的。它很像 C 语言的数组，允许开发者以数组下标的形式，直接操作内存，大大增强了 JavaScript 处理二进制数据的能力，使得开发者有可能通过 JavaScript 与操作系统的原生接口进行二进制通信。

二进制数组由三类对象组成。

（1）`ArrayBuffer`对象：代表内存之中的一段二进制数据，可以通过“视图”进行操作。“视图”部署了数组接口，这意味着，可以用数组的方法操作内存。

（2）`TypedArray`视图：共包括 9 种类型的视图，比如`Uint8Array`（无符号 8 位整数）数组视图, `Int16Array`（16 位整数）数组视图, `Float32Array`（32 位浮点数）数组视图等等。

（3）`DataView`视图：可以自定义复合格式的视图，比如第一个字节是 Uint8（无符号 8 位整数）、第二、三个字节是 Int16（16 位整数）、第四个字节开始是 Float32（32 位浮点数）等等，此外还可以自定义字节序。

简单说，`ArrayBuffer`对象代表原始的二进制数据，`TypedArray`视图用来读写简单类型的二进制数据，`DataView`视图用来读写复杂类型的二进制数据。

`TypedArray`视图支持的数据类型一共有 9 种（`DataView`视图支持除`Uint8C`以外的其他 8 种）。

数据类型 | 字节长度 | 含义 | 对应的 C 语言类型
--- | --- | --- | ---
Int8 | 1 | 8 位带符号整数 | signed char
Uint8 | 1 | 8 位不带符号整数 | unsigned char
Uint8C | 1 | 8 位不带符号整数（自动过滤溢出） | unsigned char
Int16 | 2 | 16 位带符号整数 | short
Uint16 | 2 | 16 位不带符号整数 | unsigned short
Int32 | 4 | 32 位带符号整数 | int
Uint32 | 4 | 32 位不带符号的整数 | unsigned int
Float32 | 4 | 32 位浮点数 | float
Float64 | 8 | 64 位浮点数 | double

注意，二进制数组并不是真正的数组，而是类似数组的对象。

很多浏览器操作的 API，用到了二进制数组操作二进制数据，下面是其中的几个。

- Canvas
- Fetch API
- File API
- WebSockets
- XMLHttpRequest

## # ArrayBuffer 对象

### # 概述

`ArrayBuffer`对象代表储存二进制数据的一段内存，它不能直接读写，只能通过视图（`TypedArray`视图和`DataView`视图)来读写，视图的作用是以指定格式解读二进制数据。

`ArrayBuffer`也是一个构造函数，可以分配一段可以存放数据的连续内存区域。

    const buf = new ArrayBuffer(32);

1

上面代码生成了一段 32 字节的内存区域，每个字节的值默认都是 0。可以看到，`ArrayBuffer`构造函数的参数是所需要的内存大小（单位字节）。

为了读写这段内容，需要为它指定视图。`DataView`视图的创建，需要提供`ArrayBuffer`对象实例作为参数。

    const buf = new ArrayBuffer(32);
    const dataView = new DataView(buf);
    dataView.getUint8(0) // 0

1
2
3

上面代码对一段 32 字节的内存，建立`DataView`视图，然后以不带符号的 8 位整数格式，从头读取 8 位二进制数据，结果得到 0，因为原始内存的`ArrayBuffer`对象，默认所有位都是 0。

另一种`TypedArray`视图，与`DataView`视图的一个区别是，它不是一个构造函数，而是一组构造函数，代表不同的数据格式。

    const buffer = new ArrayBuffer(12);

    const x1 = new Int32Array(buffer);
    x1[0] = 1;
    const x2 = new Uint8Array(buffer);
    x2[0]  = 2;

    x1[0] // 2

1
2
3
4
5
6
7
8

上面代码对同一段内存，分别建立两种视图：32 位带符号整数（`Int32Array`构造函数）和 8 位不带符号整数（`Uint8Array`构造函数）。由于两个视图对应的是同一段内存，一个视图修改底层内存，会影响到另一个视图。

`TypedArray`视图的构造函数，除了接受`ArrayBuffer`实例作为参数，还可以接受普通数组作为参数，直接分配内存生成底层的`ArrayBuffer`实例，并同时完成对这段内存的赋值。

    const typedArray = new Uint8Array([0,1,2]);
    typedArray.length // 3

    typedArray[0] = 5;
    typedArray // [5, 1, 2]

1
2
3
4
5

上面代码使用`TypedArray`视图的`Uint8Array`构造函数，新建一个不带符号的 8 位整数视图。可以看到，`Uint8Array`直接使用普通数组作为参数，对底层内存的赋值同时完成。

### # ArrayBuffer.prototype.byteLength

`ArrayBuffer`实例的`byteLength`属性，返回所分配的内存区域的字节长度。

    const buffer = new ArrayBuffer(32);
    buffer.byteLength
    // 32

1
2
3

如果要分配的内存区域很大，有可能分配失败（因为没有那么多的连续空余内存），所以有必要检查是否分配成功。

    if (buffer.byteLength === n) {
      // 成功
    } else {
      // 失败
    }

1
2
3
4
5

### # ArrayBuffer.prototype.slice()

`ArrayBuffer`实例有一个`slice`方法，允许将内存区域的一部分，拷贝生成一个新的`ArrayBuffer`对象。

    const buffer = new ArrayBuffer(8);
    const newBuffer = buffer.slice(0, 3);

1
2

上面代码拷贝`buffer`对象的前 3 个字节（从 0 开始，到第 3 个字节前面结束），生成一个新的`ArrayBuffer`对象。`slice`方法其实包含两步，第一步是先分配一段新内存，第二步是将原来那个`ArrayBuffer`对象拷贝过去。

`slice`方法接受两个参数，第一个参数表示拷贝开始的字节序号（含该字节），第二个参数表示拷贝截止的字节序号（不含该字节）。如果省略第二个参数，则默认到原`ArrayBuffer`对象的结尾。

除了`slice`方法，`ArrayBuffer`对象不提供任何直接读写内存的方法，只允许在其上方建立视图，然后通过视图读写。

### # ArrayBuffer.isView()

`ArrayBuffer`有一个静态方法`isView`，返回一个布尔值，表示参数是否为`ArrayBuffer`的视图实例。这个方法大致相当于判断参数，是否为`TypedArray`实例或`DataView`实例。

    const buffer = new ArrayBuffer(8);
    ArrayBuffer.isView(buffer) // false

    const v = new Int32Array(buffer);
    ArrayBuffer.isView(v) // true

1
2
3
4
5

## # 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);

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

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

1
2
3

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];

1
2
3
4

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));

1

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

1
2
3
4
5
6
7

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

1
2
3
4
5
6
7

（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]);

1

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);

1
2
3
4
5

### # 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]

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16

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

1
2
3
4
5
6
7

### # 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;
    }

1
2
3
4
5
6

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

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13

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]

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20

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');
      }
    }

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

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

1
2
3
4
5
6
7
8
9

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
    }

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29

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
(opens new window)或 Node.js 文档
(opens new window)。

### # 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

1
2
3
4
5
6
7

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

1
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

1
2
3
4
5
6
7

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

1
2
3
4
5
6
7

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);

1
2

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

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13

### # 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

1
2
3
4

### # 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);

1
2
3
4

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)

1
2
3
4

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

1
2
3
4
5

`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 ]

1
2
3

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 ]

1
2

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;

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

### # 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 ]

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

1
2

`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 ]

1
2
3
4
5

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。

## # 复合视图

由于视图的构造函数可以指定起始位置和长度，所以在同一段内存之中，可以依次存放不同类型的数据，这叫做“复合视图”。

    const buffer = new ArrayBuffer(24);

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

1
2
3
4
5

上面代码将一个 24 字节长度的`ArrayBuffer`对象，分成三个部分：

- 字节 0 到字节 3：1 个 32 位无符号整数
- 字节 4 到字节 19：16 个 8 位整数
- 字节 20 到字节 23：1 个 32 位浮点数

这种数据结构可以用如下的 C 语言描述：

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

1
2
3
4
5

## # DataView 视图

如果一段数据包括多种类型（比如服务器传来的 HTTP 数据），这时除了建立`ArrayBuffer`对象的复合视图以外，还可以通过`DataView`视图进行操作。

`DataView`视图提供更多操作选项，而且支持设定字节序。本来，在设计目的上，`ArrayBuffer`对象的各种`TypedArray`视图，是用来向网卡、声卡之类的本机设备传送数据，所以使用本机的字节序就可以了；而`DataView`视图的设计目的，是用来处理网络设备传来的数据，所以大端字节序或小端字节序是可以自行设定的。

`DataView`视图本身也是构造函数，接受一个`ArrayBuffer`对象作为参数，生成视图。

    DataView(ArrayBuffer buffer [, 字节起始位置 [, 长度]]);

1

下面是一个例子。

    const buffer = new ArrayBuffer(24);
    const dv = new DataView(buffer);

1
2

`DataView`实例有以下属性，含义与`TypedArray`实例的同名方法相同。

- `DataView.prototype.buffer`：返回对应的 ArrayBuffer 对象
- `DataView.prototype.byteLength`：返回占据的内存字节长度
- `DataView.prototype.byteOffset`：返回当前视图从对应的 ArrayBuffer 对象的哪个字节开始

`DataView`实例提供 8 个方法读取内存。

- `getInt8`：读取 1 个字节，返回一个 8 位整数。
- `getUint8`：读取 1 个字节，返回一个无符号的 8 位整数。
- `getInt16`：读取 2 个字节，返回一个 16 位整数。
- `getUint16`：读取 2 个字节，返回一个无符号的 16 位整数。
- `getInt32`：读取 4 个字节，返回一个 32 位整数。
- `getUint32`：读取 4 个字节，返回一个无符号的 32 位整数。
- `getFloat32`：读取 4 个字节，返回一个 32 位浮点数。
- `getFloat64`：读取 8 个字节，返回一个 64 位浮点数。

这一系列`get`方法的参数都是一个字节序号（不能是负数，否则会报错），表示从哪个字节开始读取。

    const buffer = new ArrayBuffer(24);
    const dv = new DataView(buffer);

    // 从第1个字节读取一个8位无符号整数
    const v1 = dv.getUint8(0);

    // 从第2个字节读取一个16位无符号整数
    const v2 = dv.getUint16(1);

    // 从第4个字节读取一个16位无符号整数
    const v3 = dv.getUint16(3);

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

上面代码读取了`ArrayBuffer`对象的前 5 个字节，其中有一个 8 位整数和两个十六位整数。

如果一次读取两个或两个以上字节，就必须明确数据的存储方式，到底是小端字节序还是大端字节序。默认情况下，`DataView`的`get`方法使用大端字节序解读数据，如果需要使用小端字节序解读，必须在`get`方法的第二个参数指定`true`。

    // 小端字节序
    const v1 = dv.getUint16(1, true);

    // 大端字节序
    const v2 = dv.getUint16(3, false);

    // 大端字节序
    const v3 = dv.getUint16(3);

1
2
3
4
5
6
7
8

DataView 视图提供 8 个方法写入内存。

- `setInt8`：写入 1 个字节的 8 位整数。
- `setUint8`：写入 1 个字节的 8 位无符号整数。
- `setInt16`：写入 2 个字节的 16 位整数。
- `setUint16`：写入 2 个字节的 16 位无符号整数。
- `setInt32`：写入 4 个字节的 32 位整数。
- `setUint32`：写入 4 个字节的 32 位无符号整数。
- `setFloat32`：写入 4 个字节的 32 位浮点数。
- `setFloat64`：写入 8 个字节的 64 位浮点数。

这一系列`set`方法，接受两个参数，第一个参数是字节序号，表示从哪个字节开始写入，第二个参数为写入的数据。对于那些写入两个或两个以上字节的方法，需要指定第三个参数，`false`或者`undefined`表示使用大端字节序写入，`true`表示使用小端字节序写入。

    // 在第1个字节，以大端字节序写入值为25的32位整数
    dv.setInt32(0, 25, false);

    // 在第5个字节，以大端字节序写入值为25的32位整数
    dv.setInt32(4, 25);

    // 在第9个字节，以小端字节序写入值为2.5的32位浮点数
    dv.setFloat32(8, 2.5, true);

1
2
3
4
5
6
7
8

如果不确定正在使用的计算机的字节序，可以采用下面的判断方式。

    const littleEndian = (function() {
      const buffer = new ArrayBuffer(2);
      new DataView(buffer).setInt16(0, 256, true);
      return new Int16Array(buffer)[0] === 256;
    })();

1
2
3
4
5

如果返回`true`，就是小端字节序；如果返回`false`，就是大端字节序。

## # 二进制数组的应用

大量的 Web API 用到了`ArrayBuffer`对象和它的视图对象。

### # AJAX

传统上，服务器通过 AJAX 操作只能返回文本数据，即`responseType`属性默认为`text`。`XMLHttpRequest`第二版`XHR2`允许服务器返回二进制数据，这时分成两种情况。如果明确知道返回的二进制数据类型，可以把返回类型（`responseType`）设为`arraybuffer`；如果不知道，就设为`blob`。

    let xhr = new XMLHttpRequest();
    xhr.open('GET', someUrl);
    xhr.responseType = 'arraybuffer';

    xhr.onload = function () {
      let arrayBuffer = xhr.response;
      // ···
    };

    xhr.send();

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

如果知道传回来的是 32 位整数，可以像下面这样处理。

    xhr.onreadystatechange = function () {
      if (req.readyState === 4 ) {
        const arrayResponse = xhr.response;
        const dataView = new DataView(arrayResponse);
        const ints = new Uint32Array(dataView.byteLength / 4);

        xhrDiv.style.backgroundColor = "#00FF00";
        xhrDiv.innerText = "Array is " + ints.length + "uints long";
      }
    }

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

### # Canvas

网页`Canvas`元素输出的二进制像素数据，就是 TypedArray 数组。

    const canvas = document.getElementById('myCanvas');
    const ctx = canvas.getContext('2d');

    const imageData = ctx.getImageData(0, 0, canvas.width, canvas.height);
    const uint8ClampedArray = imageData.data;

1
2
3
4
5

需要注意的是，上面代码的`uint8ClampedArray`虽然是一个 TypedArray 数组，但是它的视图类型是一种针对`Canvas`元素的专有类型`Uint8ClampedArray`。这个视图类型的特点，就是专门针对颜色，把每个字节解读为无符号的 8 位整数，即只能取值 0 ～ 255，而且发生运算的时候自动过滤高位溢出。这为图像处理带来了巨大的方便。

举例来说，如果把像素的颜色值设为`Uint8Array`类型，那么乘以一个 gamma 值的时候，就必须这样计算：

    u8[i] = Math.min(255, Math.max(0, u8[i] * gamma));

1

因为`Uint8Array`类型对于大于 255 的运算结果（比如`0xFF+1`），会自动变为`0x00`，所以图像处理必须要像上面这样算。这样做很麻烦，而且影响性能。如果将颜色值设为`Uint8ClampedArray`类型，计算就简化许多。

    pixels[i] *= gamma;

1

`Uint8ClampedArray`类型确保将小于 0 的值设为 0，将大于 255 的值设为 255。注意，IE 10 不支持该类型。

### # WebSocket

`WebSocket`可以通过`ArrayBuffer`，发送或接收二进制数据。

    let socket = new WebSocket('ws://127.0.0.1:8081');
    socket.binaryType = 'arraybuffer';

    // Wait until socket is open
    socket.addEventListener('open', function (event) {
      // Send binary data
      const typedArray = new Uint8Array(4);
      socket.send(typedArray.buffer);
    });

    // Receive binary data
    socket.addEventListener('message', function (event) {
      const arrayBuffer = event.data;
      // ···
    });

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

### # Fetch API

Fetch API 取回的数据，就是`ArrayBuffer`对象。

    fetch(url)
    .then(function(response){
      return response.arrayBuffer()
    })
    .then(function(arrayBuffer){
      // ...
    });

1
2
3
4
5
6
7

### # File API

如果知道一个文件的二进制数据类型，也可以将这个文件读取为`ArrayBuffer`对象。

    const fileInput = document.getElementById('fileInput');
    const file = fileInput.files[0];
    const reader = new FileReader();
    reader.readAsArrayBuffer(file);
    reader.onload = function () {
      const arrayBuffer = reader.result;
      // ···
    };

1
2
3
4
5
6
7
8

下面以处理 bmp 文件为例。假定`file`变量是一个指向 bmp 文件的文件对象，首先读取文件。

    const reader = new FileReader();
    reader.addEventListener("load", processimage, false);
    reader.readAsArrayBuffer(file);

1
2
3

然后，定义处理图像的回调函数：先在二进制数据之上建立一个`DataView`视图，再建立一个`bitmap`对象，用于存放处理后的数据，最后将图像展示在`Canvas`元素之中。

    function processimage(e) {
      const buffer = e.target.result;
      const datav = new DataView(buffer);
      const bitmap = {};
      // 具体的处理步骤
    }

1
2
3
4
5
6

具体处理图像数据时，先处理 bmp 的文件头。具体每个文件头的格式和定义，请参阅有关资料。

    bitmap.fileheader = {};
    bitmap.fileheader.bfType = datav.getUint16(0, true);
    bitmap.fileheader.bfSize = datav.getUint32(2, true);
    bitmap.fileheader.bfReserved1 = datav.getUint16(6, true);
    bitmap.fileheader.bfReserved2 = datav.getUint16(8, true);
    bitmap.fileheader.bfOffBits = datav.getUint32(10, true);

1
2
3
4
5
6

接着处理图像元信息部分。

    bitmap.infoheader = {};
    bitmap.infoheader.biSize = datav.getUint32(14, true);
    bitmap.infoheader.biWidth = datav.getUint32(18, true);
    bitmap.infoheader.biHeight = datav.getUint32(22, true);
    bitmap.infoheader.biPlanes = datav.getUint16(26, true);
    bitmap.infoheader.biBitCount = datav.getUint16(28, true);
    bitmap.infoheader.biCompression = datav.getUint32(30, true);
    bitmap.infoheader.biSizeImage = datav.getUint32(34, true);
    bitmap.infoheader.biXPelsPerMeter = datav.getUint32(38, true);
    bitmap.infoheader.biYPelsPerMeter = datav.getUint32(42, true);
    bitmap.infoheader.biClrUsed = datav.getUint32(46, true);
    bitmap.infoheader.biClrImportant = datav.getUint32(50, true);

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

最后处理图像本身的像素信息。

    const start = bitmap.fileheader.bfOffBits;
    bitmap.pixels = new Uint8Array(buffer, start);

1
2

至此，图像文件的数据全部处理完成。下一步，可以根据需要，进行图像变形，或者转换格式，或者展示在`Canvas`网页元素之中。

## # SharedArrayBuffer

JavaScript 是单线程的，Web worker 引入了多线程：主线程用来与用户互动，Worker 线程用来承担计算任务。每个线程的数据都是隔离的，通过`postMessage()`通信。下面是一个例子。

    // 主线程
    const w = new Worker('myworker.js');

1
2

上面代码中，主线程新建了一个 Worker 线程。该线程与主线程之间会有一个通信渠道，主线程通过`w.postMessage`向 Worker 线程发消息，同时通过`message`事件监听 Worker 线程的回应。

    // 主线程
    w.postMessage('hi');
    w.onmessage = function (ev) {
      console.log(ev.data);
    }

1
2
3
4
5

上面代码中，主线程先发一个消息`hi`，然后在监听到 Worker 线程的回应后，就将其打印出来。

Worker 线程也是通过监听`message`事件，来获取主线程发来的消息，并作出反应。

    // Worker 线程
    onmessage = function (ev) {
      console.log(ev.data);
      postMessage('ho');
    }

1
2
3
4
5

线程之间的数据交换可以是各种格式，不仅仅是字符串，也可以是二进制数据。这种交换采用的是复制机制，即一个进程将需要分享的数据复制一份，通过`postMessage`方法交给另一个进程。如果数据量比较大，这种通信的效率显然比较低。很容易想到，这时可以留出一块内存区域，由主线程与 Worker 线程共享，两方都可以读写，那么就会大大提高效率，协作起来也会比较简单（不像`postMessage`那么麻烦）。

ES2017 引入`SharedArrayBuffer`
(opens new window)，允许 Worker 线程与主线程共享同一块内存。`SharedArrayBuffer`的 API 与`ArrayBuffer`一模一样，唯一的区别是后者无法共享数据。

    // 主线程

    // 新建 1KB 共享内存
    const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(1024);

    // 主线程将共享内存的地址发送出去
    w.postMessage(sharedBuffer);

    // 在共享内存上建立视图，供写入数据
    const sharedArray = new Int32Array(sharedBuffer);

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

上面代码中，`postMessage`方法的参数是`SharedArrayBuffer`对象。

Worker 线程从事件的`data`属性上面取到数据。

    // Worker 线程
    onmessage = function (ev) {
      // 主线程共享的数据，就是 1KB 的共享内存
      const sharedBuffer = ev.data;

      // 在共享内存上建立视图，方便读写
      const sharedArray = new Int32Array(sharedBuffer);

      // ...
    };

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

共享内存也可以在 Worker 线程创建，发给主线程。

`SharedArrayBuffer`与`ArrayBuffer`一样，本身是无法读写的，必须在上面建立视图，然后通过视图读写。

    // 分配 10 万个 32 位整数占据的内存空间
    const sab = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT * 100000);

    // 建立 32 位整数视图
    const ia = new Int32Array(sab);  // ia.length == 100000

    // 新建一个质数生成器
    const primes = new PrimeGenerator();

    // 将 10 万个质数，写入这段内存空间
    for ( let i=0 ; i < ia.length ; i++ )
      ia[i] = primes.next();

    // 向 Worker 线程发送这段共享内存
    w.postMessage(ia);

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

Worker 线程收到数据后的处理如下。

    // Worker 线程
    let ia;
    onmessage = function (ev) {
      ia = ev.data;
      console.log(ia.length); // 100000
      console.log(ia[37]); // 输出 163，因为这是第38个质数
    };

1
2
3
4
5
6
7

## # Atomics 对象

多线程共享内存，最大的问题就是如何防止两个线程同时修改某个地址，或者说，当一个线程修改共享内存以后，必须有一个机制让其他线程同步。SharedArrayBuffer API 提供`Atomics`对象，保证所有共享内存的操作都是“原子性”的，并且可以在所有线程内同步。

什么叫“原子性操作”呢？现代编程语言中，一条普通的命令被编译器处理以后，会变成多条机器指令。如果是单线程运行，这是没有问题的；多线程环境并且共享内存时，就会出问题，因为这一组机器指令的运行期间，可能会插入其他线程的指令，从而导致运行结果出错。请看下面的例子。

    // 主线程
    ia[42] = 314159;  // 原先的值 191
    ia[37] = 123456;  // 原先的值 163

    // Worker 线程
    console.log(ia[37]);
    console.log(ia[42]);
    // 可能的结果
    // 123456
    // 191

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

上面代码中，主线程的原始顺序是先对 42 号位置赋值，再对 37 号位置赋值。但是，编译器和 CPU 为了优化，可能会改变这两个操作的执行顺序（因为它们之间互不依赖），先对 37 号位置赋值，再对 42 号位置赋值。而执行到一半的时候，Worker 线程可能就会来读取数据，导致打印出`123456`和`191`。

下面是另一个例子。

    // 主线程
    const sab = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT * 100000);
    const ia = new Int32Array(sab);

    for (let i = 0; i < ia.length; i++) {
      ia[i] = primes.next(); // 将质数放入 ia
    }

    // worker 线程
    ia[112]++; // 错误
    Atomics.add(ia, 112, 1); // 正确

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

上面代码中，Worker 线程直接改写共享内存`ia[112]++`是不正确的。因为这行语句会被编译成多条机器指令，这些指令之间无法保证不会插入其他进程的指令。请设想如果两个线程同时`ia[112]++`，很可能它们得到的结果都是不正确的。

`Atomics`对象就是为了解决这个问题而提出，它可以保证一个操作所对应的多条机器指令，一定是作为一个整体运行的，中间不会被打断。也就是说，它所涉及的操作都可以看作是原子性的单操作，这可以避免线程竞争，提高多线程共享内存时的操作安全。所以，`ia[112]++`要改写成`Atomics.add(ia, 112, 1)`。

`Atomics`对象提供多种方法。

（1）Atomics.store()，Atomics.load()

`store()`方法用来向共享内存写入数据，`load()`方法用来从共享内存读出数据。比起直接的读写操作，它们的好处是保证了读写操作的原子性。

此外，它们还用来解决一个问题：多个线程使用共享内存的某个位置作为开关（flag），一旦该位置的值变了，就执行特定操作。这时，必须保证该位置的赋值操作，一定是在它前面的所有可能会改写内存的操作结束后执行；而该位置的取值操作，一定是在它后面所有可能会读取该位置的操作开始之前执行。`store`方法和`load`方法就能做到这一点，编译器不会为了优化，而打乱机器指令的执行顺序。

    Atomics.load(array, index)
    Atomics.store(array, index, value)

1
2

`store`方法接受三个参数：SharedBuffer 的视图、位置索引和值，返回`sharedArray[index]`的值。`load`方法只接受两个参数：SharedBuffer 的视图和位置索引，也是返回`sharedArray[index]`的值。

    // 主线程 main.js
    ia[42] = 314159;  // 原先的值 191
    Atomics.store(ia, 37, 123456);  // 原先的值是 163

    // Worker 线程 worker.js
    while (Atomics.load(ia, 37) == 163);
    console.log(ia[37]);  // 123456
    console.log(ia[42]);  // 314159

1
2
3
4
5
6
7
8

上面代码中，主线程的`Atomics.store`向 42 号位置的赋值，一定是早于 37 位置的赋值。只要 37 号位置等于 163，Worker 线程就不会终止循环，而对 37 号位置和 42 号位置的取值，一定是在`Atomics.load`操作之后。

下面是另一个例子。

    // 主线程
    const worker = new Worker('worker.js');
    const length = 10;
    const size = Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT * length;
    // 新建一段共享内存
    const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(size);
    const sharedArray = new Int32Array(sharedBuffer);
    for (let i = 0; i < 10; i++) {
      // 向共享内存写入 10 个整数
      Atomics.store(sharedArray, i, 0);
    }
    worker.postMessage(sharedBuffer);

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

上面代码中，主线程用`Atomics.store()`方法写入数据。下面是 Worker 线程用`Atomics.load()`方法读取数据。

    // worker.js
    self.addEventListener('message', (event) => {
      const sharedArray = new Int32Array(event.data);
      for (let i = 0; i < 10; i++) {
        const arrayValue = Atomics.load(sharedArray, i);
        console.log(`The item at array index ${i} is ${arrayValue}`);
      }
    }, false);

1
2
3
4
5
6
7
8

（2）Atomics.exchange()

Worker 线程如果要写入数据，可以使用上面的`Atomics.store()`方法，也可以使用`Atomics.exchange()`方法。它们的区别是，`Atomics.store()`返回写入的值，而`Atomics.exchange()`返回被替换的值。

    // Worker 线程
    self.addEventListener('message', (event) => {
      const sharedArray = new Int32Array(event.data);
      for (let i = 0; i < 10; i++) {
        if (i % 2 === 0) {
          const storedValue = Atomics.store(sharedArray, i, 1);
          console.log(`The item at array index ${i} is now ${storedValue}`);
        } else {
          const exchangedValue = Atomics.exchange(sharedArray, i, 2);
          console.log(`The item at array index ${i} was ${exchangedValue}, now 2`);
        }
      }
    }, false);

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13

上面代码将共享内存的偶数位置的值改成`1`，奇数位置的值改成`2`。

（3）Atomics.wait()，Atomics.wake()

使用`while`循环等待主线程的通知，不是很高效，如果用在主线程，就会造成卡顿，`Atomics`对象提供了`wait()`和`wake()`两个方法用于等待通知。这两个方法相当于锁内存，即在一个线程进行操作时，让其他线程休眠（建立锁），等到操作结束，再唤醒那些休眠的线程（解除锁）。

    // Worker 线程
    self.addEventListener('message', (event) => {
      const sharedArray = new Int32Array(event.data);
      const arrayIndex = 0;
      const expectedStoredValue = 50;
      Atomics.wait(sharedArray, arrayIndex, expectedStoredValue);
      console.log(Atomics.load(sharedArray, arrayIndex));
    }, false);

1
2
3
4
5
6
7
8

上面代码中，`Atomics.wait()`方法等同于告诉 Worker 线程，只要满足给定条件（`sharedArray`的`0`号位置等于`50`），就在这一行 Worker 线程进入休眠。

主线程一旦更改了指定位置的值，就可以唤醒 Worker 线程。

    // 主线程
    const newArrayValue = 100;
    Atomics.store(sharedArray, 0, newArrayValue);
    const arrayIndex = 0;
    const queuePos = 1;
    Atomics.wake(sharedArray, arrayIndex, queuePos);

1
2
3
4
5
6

上面代码中，`sharedArray`的`0`号位置改为`100`，然后就执行`Atomics.wake()`方法，唤醒在`sharedArray`的`0`号位置休眠队列里的一个线程。

`Atomics.wait()`方法的使用格式如下。

    Atomics.wait(sharedArray, index, value, timeout)

1

它的四个参数含义如下。

- sharedArray：共享内存的视图数组。
- index：视图数据的位置（从0开始）。
- value：该位置的预期值。一旦实际值等于预期值，就进入休眠。
- timeout：整数，表示过了这个时间以后，就自动唤醒，单位毫秒。该参数可选，默认值是`Infinity`，即无限期的休眠，只有通过`Atomics.wake()`方法才能唤醒。

`Atomics.wait()`的返回值是一个字符串，共有三种可能的值。如果`sharedArray[index]`不等于`value`，就返回字符串`not-equal`，否则就进入休眠。如果`Atomics.wake()`方法唤醒，就返回字符串`ok`；如果因为超时唤醒，就返回字符串`timed-out`。

`Atomics.wake()`方法的使用格式如下。

    Atomics.wake(sharedArray, index, count)

1

它的三个参数含义如下。

- sharedArray：共享内存的视图数组。
- index：视图数据的位置（从0开始）。
- count：需要唤醒的 Worker 线程的数量，默认为`Infinity`。

`Atomics.wake()`方法一旦唤醒休眠的 Worker 线程，就会让它继续往下运行。

请看一个例子。

    // 主线程
    console.log(ia[37]);  // 163
    Atomics.store(ia, 37, 123456);
    Atomics.wake(ia, 37, 1);

    // Worker 线程
    Atomics.wait(ia, 37, 163);
    console.log(ia[37]);  // 123456

1
2
3
4
5
6
7
8

上面代码中，视图数组`ia`的第 37 号位置，原来的值是`163`。Worker 线程使用`Atomics.wait()`方法，指定只要`ia[37]`等于`163`，就进入休眠状态。主线程使用`Atomics.store()`方法，将`123456`写入`ia[37]`，然后使用`Atomics.wake()`方法唤醒 Worker 线程。

另外，基于`wait`和`wake`这两个方法的锁内存实现，可以看 Lars T Hansen 的 js-lock-and-condition
(opens new window) 这个库。

注意，浏览器的主线程不宜设置休眠，这会导致用户失去响应。而且，主线程实际上会拒绝进入休眠。

（4）运算方法

共享内存上面的某些运算是不能被打断的，即不能在运算过程中，让其他线程改写内存上面的值。Atomics 对象提供了一些运算方法，防止数据被改写。

    Atomics.add(sharedArray, index, value)

1

`Atomics.add`用于将`value`加到`sharedArray[index]`，返回`sharedArray[index]`旧的值。

    Atomics.sub(sharedArray, index, value)

1

`Atomics.sub`用于将`value`从`sharedArray[index]`减去，返回`sharedArray[index]`旧的值。

    Atomics.and(sharedArray, index, value)

1

`Atomics.and`用于将`value`与`sharedArray[index]`进行位运算`and`，放入`sharedArray[index]`，并返回旧的值。

    Atomics.or(sharedArray, index, value)

1

`Atomics.or`用于将`value`与`sharedArray[index]`进行位运算`or`，放入`sharedArray[index]`，并返回旧的值。

    Atomics.xor(sharedArray, index, value)

1

`Atomic.xor`用于将`vaule`与`sharedArray[index]`进行位运算`xor`，放入`sharedArray[index]`，并返回旧的值。

（5）其他方法

`Atomics`对象还有以下方法。

- `Atomics.compareExchange(sharedArray, index, oldval, newval)`：如果`sharedArray[index]`等于`oldval`，就写入`newval`，返回`oldval`。
- `Atomics.isLockFree(size)`：返回一个布尔值，表示`Atomics`对象是否可以处理某个`size`的内存锁定。如果返回`false`，应用程序就需要自己来实现锁定。

`Atomics.compareExchange`的一个用途是，从 SharedArrayBuffer 读取一个值，然后对该值进行某个操作，操作结束以后，检查一下 SharedArrayBuffer 里面原来那个值是否发生变化（即被其他线程改写过）。如果没有改写过，就将它写回原来的位置，否则读取新的值，再重头进行一次操作。

编辑
(opens new window)
#ES6
上次更新: 2022/12/14, 19:36:42
异步遍历器
最新提案

← 异步遍历器 最新提案→

最近更新

  01
Git修改分支名
08-11

  02
CSS给table的tbody添加滚动条
06-29

  03
我做了一个手写春联小网页，祝大家虎年暴富 原创
01-28

更多文章>

Copyright © 2016-2022 Hesb | MIT License

- 跟随系统
- 浅色模式
- 深色模式
- 阅读模式