JavaScript实现ArrayBuffer到Base64的转换

前置概念

• ArrayBuffer：就像一个巨大的数字水池，里面装满了 0 和 1。
• Base64：一种字符编码格式，它用 64 个字符（A-Z, a-z, 0-9, +, /）​来表示数据。
• TextDecoder：就像一个神奇的翻译器，能够将水池里的数字变成普通的文字。
• btoa：这个函数就像一个魔术师，能将普通文字变成 Base64 编码。

问题引入：将图片数据转为 Base64 时遇到意外

在前端开发中，我们经常需要处理从服务器获取的图片数据。有时，我们需要将这些数据（ArrayBuffer ）转换为 Base64 格式，以便进一步处理，或者进一步向其他位置传播。

通常我们会使用如下代码：

const base64 = btoa(String.fromCharCode.apply(null, new Uint8Array(arrayBuffer)));

工作原理

• new Uint8Array(arrayBuffer)​:

  • 这一步将 ArrayBuffer 转换为 Uint8Array。
  • 可以将其想象为把一大桶水（ArrayBuffer）倒入一排整齐的小杯子（Uint8Array）中，每个杯子恰好装 8 位（1字节）的数据。

• String.fromCharCode.apply(null, ...)​:

  • ​String.fromCharCode​ 是一个方法，它接受一系列 Unicode 值，并返回由这些值组成的字符串。
  • ​.apply(null, ...)​ 的作用是将 Uint8Array 中的所有元素作为独立参数传递给 String.fromCharCode​。这就像是试图一次性抓住所有的小水杯。

• btoa(...)​:

  • 最后，btoa​ 函数将生成的字符串编码为 Base64。

这种方法对于小型 ArrayBuffer 来说非常高效，因为它简洁且直接。

然而，当我们尝试将较大的图片转换为 Base64 字符串时，这段代码就会抛出以下错误：

RangeError: Maximum call stack size exceeded

为什么会栈溢出呢，问题出在 String.fromCharCode.apply()​ 方法上。当处理大型 ArrayBuffer 时，这种方法试图一次性将所有数据作为参数传递给函数，导致超出了 JavaScript 的调用栈限制。

想象你正在尝试将一个巨大的拼图（ArrayBuffer）快速组装起来：

• 首先，你把所有拼图块整齐地排列在桌上（创建 Uint8Array）。
• 然后，你试图一次性抓起所有拼图块（apply​ 方法），想要立即将它们组合成完整的图像（String.fromCharCode​）。
• 最后，你要给这幅拼好的图像加上特殊的装裱（btoa​ 转换为 Base64）。

问题在于，当拼图太大时，你的手（JavaScript 的调用栈）无法一次抓住所有的拼图块，导致它们洒落一地（栈溢出错误）。

那么，如何优雅地解决这个问题，实现大型 ArrayBuffer 到 Base64 的转换呢？让我们探索几种有效的方法。

解决方案详解

• 使用 reduce​ 方法

  这种方法就像用一个小勺子，一勺一勺地舀水。虽然不会溢出，但可能会花很长时间。

const base64 = btoa(new Uint8Array(arrayBuffer).reduce((data, byte) => data + String.fromCharCode(byte), ''));

• 工作原理：

  • 首先，将 ArrayBuffer 转换为 Uint8Array，就像把水倒入一个个小杯子里。
  • 然后，使用 reduce​ 方法遍历每个字节（每个小杯子），将其转换为字符。
  • 每次迭代都会创建一个新的字符串，就像把每个小杯子的水倒入一个逐渐变大的容器中。
  • 最后，使用 btoa​ 将得到的字符串转换为 Base64。

  为什么慢：

  • 字符串拼接操作（data + String.fromCharCode(byte)​）在每次迭代中都会创建一个新的字符串。
  • 对于大型 ArrayBuffer，这意味着创建成千上万个中间字符串，就像在倒水过程中不断更换容器。
  • 这种频繁的内存分配和释放操作会显著降低性能。

• 现代方法：TextDecoder + btoa

  这种方法就像拥有一台高效的自动灌装机。它能迅速将整桶水（ArrayBuffer）直接灌入瓶子（Base64字符串），既快速又安全。

const text = new TextDecoder().decode(new Uint8Array(arrayBuffer));
const base64 = btoa(text);

• 工作原理：

  • TextDecoder 像一个智能转换器，能够一次性将整个 Uint8Array 转换为字符串。
  • 这个过程就像是用一根大管子，直接将水从桶中抽出并过滤。
  • 然后，btoa​ 函数作为最后的包装步骤，将字符串转换为 Base64 编码。

  为什么快：

  • TextDecoder 是在底层实现的，利用了浏览器的原生优化。就像一台精心设计的工业级设备。
  • 它能够一次性处理整个数组，避免了频繁的字符串创建和拼接操作。

在实际编程中，对于小型数据，两种方法的差异可能不明显。但当处理大型 ArrayBuffer（比如高分辨率图片数据）时，现代方法的优势就会非常明显，可能会将处理时间从秒级降低到毫秒级。

兼容代码

const arrayBufferToBase64 = (buffer) => {
  if (typeof TextDecoder !== 'undefined' && typeof btoa !== 'undefined') {
    return btoa(new TextDecoder().decode(new Uint8Array(buffer)));
  } else {
    return btoa(new Uint8Array(buffer).reduce((data, byte) => data + String.fromCharCode(byte), ''));
  }
}

这个函数首先检查环境是否支持 TextDecoder 和 btoa。如果支持，就使用高性能的现代方法；如果不支持，则回退到使用 reduce 方法，确保最大兼容性。

结语

在处理 ArrayBuffer 到 Base64 的转换时，现代的 TextDecoder + btoa 方法通常是最佳选择，但在需要更广泛兼容性的情况下，可以考虑使用 reduce 方法作为备选。

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