深入理解前端位元組二進制知識以及相關API

當前，前端對二進制資料有許多的API可以使用，這豐富了前端對檔案資料的處理能力，有了這些能力，就能夠對圖片等檔案的資料進行各種處理，
本文將著重介紹一些前端二進制資料處理相關的API知識，如Blob、File、FileReader、ArrayBuffer、TypeArray、DataView等等，

位元組

在介紹各種API之前，我們需要先了解下和位元組有關的知識，

我們知道，計算機是二進制的世界，而位元組(byte)是計算機技術中關于二進制資料的一種基本單位，1位元組有8個二進制位，即8位元(bit)，

位元又叫位，一位二進制資料要么是0、要么是1，只有兩種狀態，所以1位元有2種狀態，
1位元組有8位元，即8個二進制位，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，如字符編碼知識，見前文前端需要了解的編碼知識，

二進制資料在存盤的時候，以位元組為單位，這里還涉及到一個關于位元組序的知識，

位元組序

位元組序描述的是計算機如何存盤位元組，
因為我們知道，記憶體存盤都有索引地址，每個位元組對應一個索引地址，一個位元組存盤8位二進制，即0到255之間，但需要存盤大于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么樣的排序方式在記憶體中進行存盤，
而排序方式主要是兩種：大端存盤(big-endian)和小端存盤(little-endian)，

大端存盤和小端存盤

大端存盤又稱大位元組序、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，圖片檔案 png、jpg都是這種方式，
小端存盤又稱為小位元組序、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，圖片檔案gif是小端序，

示例

當我們使用不同的位元組序存盤數字 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：

大端存盤在記憶體中的存盤地址：

小端存盤在記憶體中的存盤地址：

這里數字位元組的高-低位是從左到右，最高位是 12，最低位是 78；而記憶體中存盤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，大端存盤似乎更順眼，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物件，該物件表示的是一個不可變、原始資料的類檔案物件，
它的不可變，代表它是只讀的，不可被改變，

Blob物件的建構式語法：new Blob(array, options)，

引數array：是一個資料陣列，可以是多種物件的資料，包含 ArrayBuffer、Blob、String 等等，
引數options：可選物件，指定兩個屬性：

type 表示Blob物件資料的MIME型別；
endings 指定包含行結束符\n的字串如何寫入，

我們可以使用建構式直接創建一個新的 Blob 物件：

const blob = new Blob(['123456789'], {type : 'text/plain'});

新創建的物件實體，結構如下：

從以上示例，我們就可以看到Blob物件的方法和屬性：

• 實體屬性
  • size：Blob物件中資料的位元組大小
  • type：字串，表示Blob物件資料的MIME型別
• 示例方法
  • arrayBuffer()：回傳包含Blob所有內容的二進制格式的ArrayBuffer的一個promise物件
  • stream()：回傳能讀取Blob的ReadableStream物件
  • text()：回傳包含Blob所有內容的字串(UTF-8編碼)的一個promise物件
  • slice([start [, end [, contentType]]])：
    • 該方法有三個可選引數，可用于分割Blob資料
    • 它根據指定的起始和結束位置，回傳原Blob在該范圍的資料，得到一個新的Blob物件
    • 第三個引數 contentType 可以為新Blob物件指定自己的MIME型別

可以針對上面的 blob 實體進行操作：

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的前三位的資料，生成新的Blob實體后，通過text()方法列印出文本內容，

下面可以看看Blob在介面請求中的應用，Fetch API中的 Response 物件，擁有一個blob方法，能夠得到Blob物件，

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圖片檔案，回應物件通過 blob() 方法轉為Blob物件：

File

File物件繼承了Blob物件，是一種特殊型別的Blob，它擴展了對系統檔案的支持能力，
File提供檔案資訊，并能夠在javascript中進行訪問，一般在使用 <input> 標簽選擇檔案時回傳，因為 <input> 標簽允許選擇多個檔案，這里回傳的是檔案串列 files，

除了 <input> 標簽以外，還有兩種方式回傳File物件：

• 自由拖放操作生成的 DataTransfer 物件，
• 檔案系統訪問API中的 FileSystemFileHandle 物件的 getFile() 方法，

File的建構式：new File(bits, name[, options])，
有三個引數：

• bits：是一個資料陣列，可以是多種物件的資料，與Blob物件類似
• name：檔案名稱
• options：可選屬性物件，包含兩個選項
  • type：MIME型別字串
  • lastModified：時間戳，表示檔案的最后修改時間

下面代碼，通過 <input> 標簽讀取檔案：

<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實體，控制臺列印出來：

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，檔案最后修改時間
  • name：只讀，檔案名
    lastModifiedDate：只讀，檔案最后修改時間的 Date 物件，該物件已廢棄
  • webkitRelativePath：非標準屬性，回傳path或URL
• File沒有自己的實體方法，都繼承自Blob

對Blob和File的讀取

File繼承自Blob，都是只讀物件，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，而上面提到這四種物件也同樣是WebAPI，

FileReader

FileReader是用于異步讀取檔案型別（或原始資料緩沖區）的內容，指定Blob或File物件為需要讀取的檔案資料，

FileReader 不能在檔案系統中用路徑名的方式讀取檔案，

建構式：new FileReader()，

如果對檔案處理功能開發較多，對FileReader物件應該較熟，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 = https://www.cnblogs.com/jimojianghu/p/event.target.result
  }
  reader.readAsDataURL(file)
}

以上代碼，就是很常用的，使用FileReader讀取一個圖片檔案的Base64資料，然后使用圖片物件加載，Base64知識，可參考前文深入理解Base64編碼字串，
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：在讀取檔案時發生的錯誤
  • readyState：表示當前讀取狀態

    常量名	值	狀態描述
    EMPTY	0	沒有加載
    LOADING	1	正在加載
    DONE	2	已完成全部讀取

  • result：檔案內容，讀取狀態完成時才有效
• 方法
  • abort()：中止讀取操作，在回傳時，readyState屬性為DONE
  • readAsArrayBuffer()：以ArrayBuffer型別讀取Blob中的內容
  • readAsBinaryString()：以原始二進制資料型別讀取Blob中的內容
  • readAsDataURL()：以Base64字串型別讀取Blob中的內容
  • readAsText()：以文本字串型別讀取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鏈接的一個介面物件，可以通過它，決議、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檔案物件，

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 = https://www.cnblogs.com/jimojianghu/p/url
}

頁面展示：

這段代碼就實作了上傳圖片，通過 URL.createObjectURL 讀取后生成一個本地映射的url，再使用Image物件加載圖片，
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串：blob:http://localhost:8088/29c8f4a5-9b47-436f-8983-03643c917f1c，通過這個字串，圖片就能加載顯示出來，
再來看 createObjectURL()，它回傳一個包含給定的Blob或File物件的url，就可以當做檔案資源被加載，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物件生成，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檔案，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檔案時才會釋放，

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實體，在合適的時機呼叫即可銷毀Object URL，

URL.revokeObjectURL(url)

XMLHttpRequest.send()

XMLHttpRequest.send(body)：用于在XHR的HTTP請求中，發送資料體，
這里的body引數，可以是多種資料型別，包括Blob物件，

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物件為引數，并生成一個ImageBitmap物件，
這些引數就就可以是Blob和File物件，

ImageBitmap表示可以繪制在canvas上的位圖影像，

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，即可讀取圖片檔案，使用canvas繪制，

ArrayBuffer

ArrayBuffer 物件表示通用的、固定長度的原始二進制緩沖區，它是一個位元組陣列，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，

建構式：new ArrayBuffer(length)，回傳一個指定大小的ArrayBuffer物件，
引數length：要創建的 ArrayBuffer 的位元組大小，大于Number.MAX_SAFE_INTEGER（>= 2 ** 53）或為負數，則拋出一個RangeError例外，

下面我們先使用前面介紹的 FileReader 讀取一個檔案的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)
}

控制臺日志列印輸出：

從上圖，可以看到ArrayBuffer的實體屬性和方法：

• byteLength：表示位元組大小，不可改變
• slice(begin[, end])：根據指定位置范圍回傳一個新的ArrayBuffer，可以分割ArrayBuffer，

ArrayBuffer還有靜態屬性和方法：

• ArrayBuffer.length：建構式的length屬性，值為1
• ArrayBuffer.isView(arg)：如果引數是ArrayBuffer的視圖實體則回傳true，

由于我們無法直接操作ArrayBuffer，所以需要使用其他物件來處理，下面將介紹其中兩種，

TypeArray

TypeArray，即型別化陣列，它描述了二進制資料緩沖區的一個類陣列，TypeArray本身不是一個可用的物件，只是一個輔助的資料型別，作為所有型別陣列的構造原型，真正可用的型別陣列包含了多種，如Int8Array、Uint8Array等，
常用的型別陣列如下表所示：

型別化陣列與普通資料也較相似，同樣擁有一系列的方法和屬性，但不支持 push、pop、shift、unshift、splice 等可以改變原陣列的增刪改方法，
型別化陣列由于定義了資料型別，則各元素必須是同型別的資料，不能像普通資料那樣元素可以是不同型別；當元素資料型別固定統一時，處理效率更優，

各型別陣列在建構式、屬性、方法等語法上相同，下面就以 Uint8Array 為例，

語法

Uint8Array建構式：

new Uint8Array()
new Uint8Array(length)
new Uint8Array(typedArray)
new Uint8Array(object)
new Uint8Array(buffer [, byteOffset [, length]])

length 引數的最大取值

8 位類陣列是 2145386496
16 位類陣列是 1072693248
32 位類陣列是 536346624
32 位類陣列是 268173312

靜態屬性和方法

• BYTES_PER_ELEMENT：回傳陣列元素所占位元組數，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：型別陣列回傳自己的構造名，Uint8Array型別回傳 Uint8Array，Uint32Array型別回傳 Uint32Array 等等
• from(source[, mapFn[, thisArg]])：從源型別陣列中回傳一個新的陣列
• of(element0[, element1[, ...[, elementN]]])：創建一個具有可變數量引數的新型別陣列

實體屬性和方法

介紹完靜態屬性和方法，下面通過一個示例，來查看下Uint8Array的實體屬性和方法，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，直接讀取檔案的ArrayBuffer資料，然后通過 Uint8Array 建構式，得到Uint8Array實體，控制臺查看：

通過加載一張png圖片，得到它的Uint8Array陣列資料，可以看到型別陣列大部分的屬性和方法都和普通陣列類似，除了前文提到的增刪改陣列的方法以外，因此，對型別陣列使用下標、回圈等等方式進行讀取，和普通函式沒什么兩樣，

而型別陣列也自己的特殊屬性(都只讀)和方法，如下：

• buffer：回傳型別陣列參考的ArrayBuffer
• byteLength：位元組數長度
• byteOffset：相對源ArrayBuffer的偏移位元組數
• length：陣列長度
• set(array[, offset])：從給定陣列中讀取元素值，并存盤在型別陣列中
• subarray(begin, end)：給定開始和結尾索引，回傳一個新的型別陣列

型別陣列間的關系

要了解常見型別陣列間的關系，我們先看下面這張圖：

圖上所示，是一張png圖片的ArrayBuffer資料，可以看到，ArrayBuffer的位元組長度屬性默認取8位整型陣列的長度，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，這里就是對位元組的合并計算：

• Int8Array(Uint8Array) 轉 Int16Array(Uint16Array)，需要依序合并兩個位元組后計算數值，
• Int8Array(Uint8Array) 轉 Int32Array(Uint32Array)，需要依序合并四個位元組后計算數值，
• Int16Array(Uint16Array) 轉 Int32Array(Uint32Array)，需要依序合并兩個位元組后計算數值，

讀取GIF檔案示例

型別陣列通過陣列的方式對ArrayBuffer的內容進行讀取操作，可以方便我們處理檔案的二進制資料，
但使用型別陣列的時候，碰到多位元組的資料時，需要考慮位元組序的問題，

下面，我們以讀取小端存盤的GIF圖片為例，

GIF圖片的Uint8Array陣列資料中，寬高資料的存盤就是使用了兩個位元組，第7-8位存盤圖片的寬度，9-10位存盤圖片的高度，

我們加載的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進制資料
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

使用小端序處理后，寬度結果等于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，可以使用另外一個物件：DataView，

DataView

DataView 是一個從 ArrayBuffer 中讀取多種型別數值并且不用考慮位元組序的介面物件，它的使用簡單方便，擁有一系列的 get- 和 set- 實體方法操作資料，

DataView的建構式：new DataView(buffer [, byteOffset [, byteLength]])，
引數：

• 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圖片的寬高資料(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 方法有兩個引數：第一個引數代表位元組索引；第二引數表示位元組序，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體方法，

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，其中多位元組的資料，需要兩個引數：

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

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

• byteOffset：讀取時的位元組偏移量
• value：設定相應型別的數值
• littleEndian：位元組序，默認大端，設為true則是小端

Blob和ArrayBuffer

對于Blob和ArrayBuffer兩個物件，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語言內置物件，處理它則需要使用TypeArray、DataView等JS-API，
2. Blob表示不可變的類檔案資料；ArrayBuffer則表示原始資料緩沖區，
3. Blob用于讀取類檔案資料，不對應記憶體；ArrayBuffer用于讀取記憶體資料，
4. Blob和ArrayBuffer都需要通過其他物件才能操作資料，
5. Blob和ArrayBuffer可以使用不同方式進行相互之間的轉換，
6. 要操作位元組二進制資料，得依賴ArrayBuffer和輔助它的操作物件，

Blob和ArrayBuffer之間的轉換：

• 使用Blob建構式可以讀取ArrayBuffer，生成一個新的Blob，
• 通過Blob實體的arrayBuffer()方法，可以獲取到對應的ArrayBuffer，
• 通過FileReader物件的readAsArrayBuffer()方法，將Blob讀取為ArrayBuffer，

如下代碼：

const aBuffer = new ArrayBuffer(4)
// 使用Blob建構式
const blob = new Blob([aBuffer])
// Blob的arrayBuffer()方法（promise）
blob.arrayBuffer()
// FileReader
const reader = new FileReader()
reader.readAsArrayBuffer(blob)

標籤：JavaScript

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