web 直播流的解析

本文作者:ivweb villainthr

Web 进制操作是一个比较底层的话题,因为平常做业务的时候根本用不到太多,或者说,根本用不到。

老铁,没毛病

那什么情况会用到呢?

  • canvas
  • websocket
  • file
  • fetch
  • webgl
  • ...

上面只是列了部分内容。现在比较流行的就是音视频的处理,怎么说呢?

如果,有涉及直播的话,那么这应该就是一个非常!非常!非常!重要的一块内容。我这里就不废话了,先主要看一下里面的基础内容。

整体架构

首先,一开始我们是怎么接触到底层的 bit 流呢?

记住:只有一个对象我们可以搞到 bit 流 --> ArrayBuffer

这很似曾相识,例如在 fetch 使用中,我们可以通过 res.arrayBuffer(); 来直接获取 ArrayBuffer 对象。websocket 中,监听message,返回来的event.data 也是 arraybuffer。

let socket = new WebSocket('ws://127.0.0.1:8080');
socket.binaryType = 'arraybuffer';

socket.addEventListener('message', function (event) {
    let arrayBuffer = event.data;
    ···
});

但是,ArrayBuffer 并不能直接提供底层流的获取操作!!!

你可以通过 TypeArray 和 DataView 进行相关查看:

接下来,我们具体看一下 TypeArray 和 DataView 的具体细节吧。

TypedArray

首先声明这并不是一个具体的 array 对象,而是一整个底层 Buffer 的概念集合。首先,我们了解一下底层的二进制:

二进制

在一般程序语言里面,最底层的数据大概就可以用 0 和 1 来表示: 00000000000000000000000100111010

根据底层的比特的数据还可以划分为两类:

  • signed: 从左到右第一位开始,如果为 0 则表示为正,为 1 则表示为负。例如:-127~+127
  • unsigned: 从左到右第一位不作为符号的表示。例如:0~255

而我们程序表达时,为了易读性和简便性常常会结合其他进制一起使用。

  • 八进制(octet)
  • 十进制(Decimal)
  • 十六进制(Hexadecimal)

特别提醒的是:

在 JS 中: 使用 0x字面上表示十六进制。每一位代表 4bit(2^4)。 使用 0o字面上表示八进制。每一位代表 3bit(2^3)。还有一种是直接使用0 为开头,不过该种 bug 较多,不推荐。 使用 0b 字面上表示二进制。每一位代表 1bit(2^1)。

了解了二进制之后,接下来我们主要来了解一下 Web 比特位运算的基本内容。

位运算

Web 中的位运算和其它语言中类似,有基本的 7 个。

与 (&)

在相同位上,都为 1 时,结果才为 1:

 // 在 Web 中二进制不能直接表示
001 & 101 = 001

并且,该运算常常会和叫做bitmask(屏蔽字)结合起来使用。比如,在音视频的 Buffer 中,第 4 位 bit 表示该 media segments 里面是否存在 video。那么为了检验,则需要提取第 4 位,这时候就需要用到我们的 bitmask。

 // 和 1000 进行相与
buf & 8

或 (|)

在相同位上,有一个为 1 时,结果为 1。

 // FROM MDN
    9 (base 10) = 00000000000000000000000000001001 (base 2)
    14 (base 10) = 00000000000000000000000000001110 (base 2)
                   --------------------------------
14 ^ 9 (base 10) = 00000000000000000000000000000111 (base 2) = 7 (base 10)

非 (~)

只和自己做运算,如果为 0,结果为 1。如果为 1 结果为 0。反正就是相反的意思了:

 // FROM MDN
 9 (base 10) = 00000000000000000000000000001001 (base 2)
               --------------------------------
~9 (base 10) = 11111111111111111111111111110110 (base 2) = -10 (base 10)

异或 (^)

当两者中只有一个 1 那么结果才为 1。

 // FROM MDN
    9 (base 10) = 00000000000000000000000000001001 (base 2)
    14 (base 10) = 00000000000000000000000000001110 (base 2)
                   --------------------------------
14 ^ 9 (base 10) = 00000000000000000000000000000111 (base 2) = 7 (base 10)

左移 (<<)

基本格式为:x << y

将 x 向左移动 y 位数。空出来的补 0

// FROM MDN
9 (base 10): 00000000000000000000000000001001 (base 2)
                  --------------------------------
9 << 2 (base 10): 00000000000000000000000000100100 (base 2) = 36 (base 10)

带位右移 (>>)

什么叫带位呢?

上面我们提到过signedunsigned。那么这里针对的就是signed 的位移类型。

格式为: x >> y

将 x 向右移动 y 位数。左边空出来的位置根据最左边的第一位决定,如果为 1 则补 1,反之。 1001 >> 2 = 1110

直接右移 (>>>)

该方式和上面具体区别就是,该运算针对的是 unsigned 的移动。不管你左边是啥,都给我补上 0。

格式为: x >> y 1001 >> 2 = 0010

上面这些运算符主要是针对 32bit 的。不过有时候为了简便,可以省去前面多余的 0。不过大家要清楚,这是针对 32 位的即可。

优先级

上面简单介绍了位操作符,但是他们的优先级是怎么样的呢?详情可以参考:precedence;

简单来说:(按照下列顺序,优先级降低)

~ >> << >>> & ^ |

位运算具体运用

状态改变

后台在保存数据的时候,常常会遇到某一个字段有多种状态。例如,填表状态:填完,未填,少填,填错等。一般情况下直接用数字来进行代替就行,只要文档写清楚就没事。例如:

  • 0: 填完
  • 1: 未填
  • 2:少填
  • 3:填错

不过,我们还可以通过比特位来进行表示,每一位表示一个具体的状态。

  • 0001: 填完
  • 0010: 未填
  • 0100:少填
  • 1000:填错

这样我们只要找到每一位是否为 1 就可以知道里面有哪些状态存在。并且,还可以对状态进行组合,例如,填完并且填错,如果按照数字来说就没啥说明这样的情况。

那么基本的状态值有了,接下来就是怎么进行赋值和修改。

现在假设,某人的填写状态为 填完 + 填错。那么结果可以表示为: var mask = 0001 | 1000;

后面如果涉及条件判断,例如:该人是否填错,则可以使用& 来表示:

 // 是否填错
if(mask & 1000) doSth;

或者,是否即填完又填错 if(mask & (1000 | 0001)) doSth;

后面涉及到状态改变的话,则需要用到|运算。假设,现在该人为填完,现在变为少填。那么状态改变应该为:

 // 取填完的反状态
var done = ~0001; // 1110
mask &= done;

// 添加少填状态;
mask |= 0100

进制转换

在 JS 中进制转换有两种方式:toStringparseInt

  • toString(radix): 该可以将任意进制转换为 2-36 的进制。radix 默认为 10。
  • parseInt(string,radix): 将指定 string 根据 radix 的标识转换成为 10 进制。radix 默认为 10。另外它主要用作于字符串的提取。
  • Number(string): 字面上转换字符串为十进制。

parseInt 用于字符串过滤,例如: parseInt('15px', 10); // return 15

里面的字符不仅只有数字,而且还包括字母。

不过需要注意的是,parseInt 是不认可,以 0 开头的八进制,但认可 0o。所以,在使用的时候需要额外注意。

上面说过,parseInt 是将其它进制转换为 10 进制,其第二个参数主要就是为了表示前面内容的进制,如果没写,引擎内部会进行相关识别,但不保证一定正确。所以,最好写上。 parseInt(' 0xF', 16); // return 15

如果你只是想简单转换一下字符串,那么使用 Number() 无疑是最简单的。

Number('0x11')    // 17
Number('0b11')    // 3
Number('0o11')    // 9

toString

toString 里面的坑就没有 parseInt 这么多了。它也是进制转换非常好用的一个工具。因为是 字符串,所以,这里就只能针对字面量进制进行转换了--2,8,(10),16。这四种进制的相关之间转换。

提醒:如果你是直接使用字面量转换的话,需要注意使用 10 进制转换时,隐式转换会失效。即,100.toString(2) 会报错。

例如:

 0b1101101.toString(8); // 155
0b1101101.toString(10); // 109
0b1101101.toString(8); // 6d

如上面所述,他们转换后的结果一般没有进制前缀。这个时候,就需要手动加上相关的前缀即可。

例如:16 进制转换

function hexConvert(str){
    return "0x" + str.toString(16);
}

到这里,进制转换基本就讲完了。后面我们来看一下具体的 TypeArray

整体架构

TypeArray 不是一个可以用程序写出来的概念,它是许多 TypeArray 的总称。参考: TypeArray。可以了解到,它的子类如下:

  • Int8Array();
  • Uint8Array();
  • Uint8ClampedArray();
  • Int16Array();
  • Uint16Array();
  • Int32Array();
  • Uint32Array();
  • Float32Array();
  • Float64Array();

看上去很多,不过在 JS 中,因为它天生都不是用来处理 signed 类型的。所以,Uint系列在 JS 中应该算是主流。大概排个序:

Uint8Array > Uint16Array > Int8Array > ...

他们之间的具体不同,参照:

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

Uint8

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

虽然口头上说 TypeArray 没有一个具体的实例,但是私下,上面那几个 array 都是叫他爸爸。因为他定义了一些 uintArray 的基本功能。首先是实例化:

TypeArray 的实例化有 4 种:

new TypedArray(length); // 创建指定长度的 typeArray
new TypedArray(typedArray); // 复制新的 typeArray
new TypedArray(object); // 不常用
new TypedArray(buffer [, byteOffset [, length]]); // 参数为 arrayBuffer。

上面 4 中最常用的应该为 1 和 4。接着,我们了解一下,具体才创建的时候,TypeArray 到底做了些什么。

当创建实例 TypeArray 的构造函数时,内部会同时创建一个 arrayBuffer 用来作为数据的存储。如果是通过 TypedArray(buffer); 方式创建,那么 TypeArray 会直接使用该buffer的内存地址。

接下来,我们就以 Uint8Array 为主要参照,来看一下基本的处理和操作。

该例直接来源于 MDN

 // From a length
var uint8 = new Uint8Array(2);
uint8[0] = 42;
console.log(uint8[0]); // 42
console.log(uint8.length); // 2
console.log(uint8.BYTES_PER_ELEMENT); // 1

// From an array
var arr = new Uint8Array([21,31]);
console.log(arr[1]); // 31

// From another TypedArray
var x = new Uint8Array([21, 31]);
var y = new Uint8Array(x);
console.log(y[0]); // 21

// From an ArrayBuffer
var buffer = new ArrayBuffer(8); // 创建 8个字节长度的 arrayBuffer
var z = new Uint8Array(buffer, 1, 4);

它上面的方法大家直接参考 MDN 的上的就 OK。一句话总结就是,你可以想操作 Array 一样,操作里面的内容。

根据 ArrayBuffer 的描述,它本身的是从 files 和 base64 编码来获取的。如果只是初始化,他里面的每一位都是 0.不过,为了容易测试,我们可以直接自己指定:

var arrBuffer = Uint8Array.from('123'); // [1,2,3]

// 或者

var arrBuffer = Uint8Array.of(1,2,3); // [1,2,3]

多字节图

假如一个 Buffer 很长,假设有 80 位,算下来就是 10B。一开始我们的想法就是直接创建一个 typeArray就 OK。不过,根据上面的构造函数上看,其实,可以将一整个 buffer 拆成不同的 typeArray 进行读取。

buf; // 10B 的 buf

var firstB = new Uint8Array(buf,0,1); // buf 中第一个字节内容

var theRestB = new Uint8Array(buf,1,9); // buf 中 2~10 的字节内容

字节概念

在字节中,还有几个相关的概念需要理解一下。一个是溢出,一个是字节序。同样,还是根据 Uint8 来说明。

Uint8 每一个数组位,表示 8 位二进制,即范围为 0~255。

溢出

 var arrBuffer = Uint8Array.from('61545');
arrBuffer; // [6, 1, 5, 4, 5]

然后我们做一下加法:

arrBuffer[0] += 1; // 7

arrBuffer[0] += 0xfe; // 6。因为 7 + 254 溢出 6

然后是字节序。

字节序

在 JS,Java,C 等高级语言中,字节序一般都是大字节序。而一些硬件则会以小字节序作为标准。 大字节序:假如 0xAABB 被 Uint16 存储为 2 位。那么按照大字节序就是按顺序来,即 0: 0xAA, 1:0xBB。 小字节序:和上面相反,即,0:0xBB,1:0xAA。

当然如果只是在 PC 上操作了的话,字节序可以使用 IIFE 检测一下:

 (function () {
    let buf = new ArrayBuffer(2);
    (new DataView(buf)).setInt16(0, 256, true);  // little-endian write
    return (new Int16Array(buf))[0] === 256;  // platform-spec read, if equal then LE
})();

关于 TypeArray 的内容差不多就是上面将的。接下来, 我们再来看另外一个重要的对象 DataView

DataView

DataView 没有 TypeArray 这么复杂,衍生出这么多个 Uint/IntArray。它就是一个构造函数。同样,它的目的也是对底层的 arrayBuffer 进行读取。那么,为什么它会被创建出来呢?

是因为有 字节序 的存在。上面说过字节序有两种。通常,PC 和目前流行的电子设备都是大字节序,而如果是接收一些外部资源,就不能排除会接受一些小字节序的文件。为了解决这个问题,就出现了 DataView。它的实例格式为: new DataView(buffer [, byteOffset [, byteLength]])

同样,它的格式和 TypeArray 类似,也是用来作为 buffer 的读写对象。

  • buffer: 需要接入的底层 ArrayBuffer
  • byteOffset: 偏移量,单位为字节
  • byteLength: 获取长度,单位为字节

它的具体操作不是直接通过[]获取,而是使用相关的get/set方法来完成。而他针对字节序的操作,主要是针对 >=16 比特的流来区别,即,get/setInt8() 是没有字节序 的概念的。

先以 16 位的作为例子:

 dataview.getInt16(byteOffset [, littleEndian]);
// 根据字节序,获得偏移字节后的两个字节。
  • byteOffset: 单位为 字节。
  • littleEndian[boolean]: 字节序。默认为 false。表示大字节序。var buffer = new ArrayBuffer(8); var dataview = new DataView(buffer); dataview.getInt16(1,true); // 0

Buffer 场景

如上面所述,Buffer 的场景有:

  • canvas
  • websocket
  • file
  • fetch
  • webgl

file

直接看代码吧:

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

AJAX

这里和 fetch 区分一下,作为一种兼容性比较好的选择。

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

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

xhr.send();

fetch

fetch(url)
.then(request => request.arrayBuffer())
.then(arrayBuffer => ···);

canvas

let canvas = document.getElementById('my_canvas');
let context = canvas.getContext('2d');
let imageData = context.getImageData(0, 0, canvas.width, canvas.height);
let uint8ClampedArray = imageData.data;

websocket

let socket = new WebSocket('ws://127.0.0.1:8080');
socket.binaryType = 'arraybuffer';

socket.addEventListener('message', function (event) {
    let arrayBuffer = event.data;
    ···
});

上面这些都是可以和 Buffer 进行交流的对象。那还有其他的吗?有的,总的一句话:

能提供的 arrayBuffer 的都可以进行底层交流。 原文链接:http://www.ivweb.io/topic/58f2f7fab4d59277e3e2d03c

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