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JavaScriptバッファ入門！実践サンプルコード8選

JavaScriptバッファを学ぶ初心者が参考にするべき記事 JS
2023.05.02
この記事は約14分で読めます。

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この記事では、プログラムの基礎知識を前提に話を進めています。

説明のためのコードや、サンプルコードもありますので、もちろん初心者でも理解できるように表現してあります。

本記事のサンプルコードを活用して機能追加、目的を達成できるように作ってありますので、是非ご活用ください。

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はじめに

JavaScriptバッファ入門！

実践サンプルコード8選と題したこの記事では、JavaScriptのバッファについて、初心者向けにわかりやすく解説します。

この記事を読めば、JavaScriptバッファの基本的な使い方や応用例、注意点やカスタマイズ方法など、幅広い知識が身につきます。

それでは早速、JavaScriptバッファについて学んでいきましょう。

●JavaScriptバッファとは

JavaScriptバッファは、バイナリデータを扱うための仕組みです。

バイナリデータとは、0と1で表されるデータのことで、画像や音声などのメディアファイルや、ネットワーク通信でやり取りされるデータなどが該当します。

JavaScriptバッファには、主にArrayBufferとTypedArrayの2つのオブジェクトが使われます。

○ArrayBufferとTypedArray

ArrayBufferは、固定長のバイナリデータを格納するためのオブジェクトです。

一方、TypedArrayは、ArrayBufferにアクセスするためのオブジェクトで、様々なデータ型（Int8, Uint8, Int16, Uint16, Int32, Uint32, Float32, Float64）に対応しています。

TypedArrayを使ってArrayBufferのデータにアクセスすることで、バイナリデータの読み書きや操作が可能になります。

●JavaScriptバッファの作り方

ここでは、ArrayBufferとTypedArrayの作成方法を解説します。

○ArrayBufferの作成

ArrayBufferを作成するには、new ArrayBuffer(バッファサイズ)の形式でインスタンスを生成します。

バッファサイズは、バイト単位で指定します。

// ArrayBufferの作成（10バイト）
const buffer = new ArrayBuffer(10);

○TypedArrayの作成

TypedArrayを作成するには、new データ型(ArrayBuffer)の形式でインスタンスを生成します。

Int16Array（16ビット整数）でArrayBufferにアクセスする例です。

// ArrayBufferの作成（10バイト）
const buffer = new ArrayBuffer(10);

// Int16ArrayでArrayBufferにアクセス
const int16View = new Int16Array(buffer);

●JavaScriptバッファの使い方：サンプルコード

ここでは、実際にJavaScriptバッファを使ったサンプルコードを紹介します。

○サンプルコード1：バッファを使ったデータの読み書き

このコードでは、Int16Arrayを用いてArrayBufferにデータを書き込み、読み出しを行っています。

この例では、バッファに整数を格納し、その値を取得して表示しています。

// ArrayBufferの作成（10バイト）
const buffer = new ArrayBuffer(10);

// Int16ArrayでArrayBufferにアクセス
const int16View = new Int16Array(buffer);

// データの書き込み
int16View[0] = 42;
int16View[1] = -23;

// データの読み出し
console.log(int16View[0]); // 42
console.log(int16View[1]); // -23

○サンプルコード2：バッファを使ったバイナリデータの操作

このコードでは、Uint8Arrayを使ってバイナリデータを操作しています。

この例では、ArrayBufferにバイナリデータを格納し、そのデータを反転させています。

// ArrayBufferの作成（10バイト）
const buffer = new ArrayBuffer(10);

// Uint8ArrayでArrayBufferにアクセス
const uint8View = new Uint8Array(buffer);

// データの書き込み
uint8View[0] = 0b10101010;
uint8View[1] = 0b01010101;

// データの操作（反転）
uint8View[0] = ~uint8View[0];
uint8View[1] = ~uint8View[1];

// データの読み出し
console.log(uint8View[0].toString(2)); // -10101011
console.log(uint8View[1].toString(2)); // -01010110

○サンプルコード3：バッファを使った画像データの操作

このコードでは、画像データを読み込んでその画像のピクセルデータをArrayBufferに格納し、操作しています。

この例では、画像の赤成分を抽出し、新しい画像として出力しています。

// 画像データの読み込み
const img = new Image();
img.src = "画像URL";
img.onload = () => {
  // canvasに画像を描画
  const canvas = document.createElement("canvas");
  const ctx = canvas.getContext("2d");
  canvas.width = img.width;
  canvas.height = img.height;
  ctx.drawImage(img, 0, 0);

  // 画像データの取得
  const imageData = ctx.getImageData(0, 0, img.width, img.height);
  const pixelData = imageData.data;

  // ArrayBufferの作成
  const buffer = new ArrayBuffer(pixelData.length);
  const uint8View = new Uint8Array(buffer);

  // データの書き込みと操作（赤成分の抽出）
  for (let i = 0; i < pixelData.length; i += 4) {
    uint8View[i] = pixelData[i];
    uint8View[i + 1] = 0;
    uint8View[i + 2] = 0;
    uint8View[i + 3] = pixelData[i + 3];
  }

  // 新しい画像データの作成
  const newImageData = new ImageData(uint8View, img.width, img.height);

  // 新しい画像データをcanvasに描画
  ctx.putImageData(newImageData, 0, 0);

  // 新しい画像の出力
  const outputImg = document.createElement("img");
  outputImg.src = canvas.toDataURL();
  document.body.appendChild(outputImg);
};

○サンプルコード4：バッファを使った音声データの操作

このコードでは、音声データを読み込んでそのデータをArrayBufferに格納し、操作しています。

この例では、音声データの音量を調整しています。

async function loadAudio(url) {
  const response = await fetch(url);
  const arrayBuffer = await response.arrayBuffer();
  return arrayBuffer;
}

(async () => {
  const audioContext = new AudioContext();
  const audioBuffer = await loadAudio('音声URL');
  const audioSource = audioContext.createBufferSource();

  audioContext.decodeAudioData(audioBuffer, (decodedData) => {
    // 音量調整
    const gainNode = audioContext.createGain();
    gainNode.gain.value = 0.5; // 音量を半分にする

    audioSource.buffer = decodedData;
    audioSource.connect(gainNode);
    gainNode.connect(audioContext.destination);

    // 音声の再生
    audioSource.start(0);
  });
})();

●JavaScriptバッファの応用例

ここでは、JavaScriptバッファの応用例をいくつか紹介します。

WebSocket通信やファイルアップロード、圧縮・解凍機能、暗号化・復号化など、さまざまな場面でバッファを活用することができます。

○サンプルコード5：バッファを使ったWebSocket通信

このコードでは、バイナリデータを送受信するためのWebSocket通信を行っています。

バッファを使ってデータを効率的に送受信できます。

const websocket = new WebSocket('wss://example.com/socket');

// ArrayBufferを送信する例
function sendBinaryData(data) {
  const buffer = new ArrayBuffer(data.length);
  const view = new Uint8Array(buffer);
  for (let i = 0; i < data.length; i++) {
    view[i] = data[i];
  }
  websocket.send(buffer);
}

// バイナリデータを受信する例
websocket.binaryType = 'arraybuffer';
websocket.onmessage = (event) => {
  const buffer = event.data;
  const view = new Uint8Array(buffer);
  // データを使用する処理を実装
};

○サンプルコード6：バッファを使ったファイルのアップロード

このコードでは、ファイルのアップロードを行っています。

バッファを使ってファイルのデータを効率的に送信できます。

const input = document.createElement('input');
input.type = 'file';
input.onchange = async (event) => {
  const file = event.target.files[0];
  const response = await fetch('/upload', {
    method: 'POST',
    body: file
  });

  if (response.ok) {
    console.log('ファイルアップロードが成功しました');
  } else {
    console.error('ファイルアップロードに失敗しました');
  }
};
document.body.appendChild(input);

○サンプルコード7：バッファを使った圧縮・解凍機能

このコードでは、テキストデータを圧縮し、解凍する機能を実装しています。

バッファを使って効率的にデータを処理できます。

// pakoライブラリを利用した圧縮・解凍の例
import pako from 'pako';

const text = '圧縮したいテキストデータ';
const compressedData = pako.deflate(text); // データ圧縮
const decompressedData = pako.inflate(compressedData); // データ解凍
const decompressedText = new TextDecoder().decode(decompressedData); // Uint8Arrayをテキストに変換

console.log('元のテキスト:', text);
console.log('解凍したテキスト:', decompressedText);

○サンプルコード8：バッファを使った暗号化・復号化

このコードでは、暗号化と復号化を行うためのバッファを使った処理を実装しています。

暗号化アルゴリズムとしてAESを使用し、共有鍵を使ってデータを暗号化および復号化しています。

import crypto from 'crypto';

// 暗号化キーと初期化ベクトルを生成
const key = crypto.randomBytes(32);
const iv = crypto.randomBytes(16);

// 暗号化関数
function encrypt(text) {
  const cipher = crypto.createCipheriv('aes-256-cbc', key, iv);
  let encrypted = cipher.update(text, 'utf8', 'hex');
  encrypted += cipher.final('hex');
  return encrypted;
}

// 復号化関数
function decrypt(encrypted) {
  const decipher = crypto.createDecipheriv('aes-256-cbc', key, iv);
  let decrypted = decipher.update(encrypted, 'hex', 'utf8');
  decrypted += decipher.final('utf8');
  return decrypted;
}

const text = '暗号化したいテキストデータ';
const encryptedText = encrypt(text);
const decryptedText = decrypt(encryptedText);

console.log('元のテキスト:', text);
console.log('暗号化したテキスト:', encryptedText);
console.log('復号化したテキスト:', decryptedText);

このコードでは、cryptoモジュールを使って、AES暗号化アルゴリズムを適用し、元のテキストデータを暗号化しています。

その後、復号化関数を使って暗号化されたテキストを元のテキストに戻しています。

●注意点と対処法

○エンディアンの問題

バッファを使ってデータを扱う際には、エンディアン（バイトオーダー）の問題が発生することがあります。

この問題に対処するために、適切な読み書きメソッド（readUInt32LE, writeUInt32BEなど）を選択してください。

○データ型の問題

バッファは、データ型に関して柔軟性がありますが、型によっては予期しない挙動が発生することがあります。

データ型を正しく扱うためには、適切なメソッドを使用し、必要に応じて型変換を行ってください。

●カスタマイズ方法

○バッファのサイズ変更

バッファのサイズは、バッファを作成する際に指定できます。

必要に応じてサイズを変更し、効率的にデータを処理してください。

○異なる型のデータの組み合わせ

このサンプルコードでは、バッファを使って異なる型のデータを一つのバッファにまとめる方法を紹介します。

この例では、整数、浮動小数点数、文字列のデータを組み合わせています。

const buffer = Buffer.alloc(20);
const intVal = 12345;
const floatVal = 3.14;
const strVal = 'abc';

buffer.writeInt32LE(intVal, 0);
buffer.writeFloatLE(floatVal, 4);
buffer.write(strVal, 8);

console.log('バッファの内容:', buffer);

const readIntVal = buffer.readInt32LE(0);
const readFloatVal = buffer.readFloatLE(4);
const readStrVal = buffer.toString('utf8', 8, 11);

console.log('読み取った整数:', readIntVal);
console.log('読み取った浮動小数点数:', readFloatVal);
console.log('読み取った文字列:', readStrVal);

このコードでは、まず20バイトのバッファを作成し、整数値、浮動小数点数、文字列を順番にバッファに書き込んでいます。

その後、バッファからそれぞれのデータ型に応じた読み取りメソッドを使ってデータを取り出しています。

このように、バッファを使って異なる型のデータを組み合わせることができます。

ただし、バッファ内でデータの境界を正しく扱うことが重要です。

適切なオフセットを指定して読み書きを行うことで、データの破損や誤った読み取りを防ぐことができます。

まとめ

JavaScriptのバッファは、バイナリデータの扱いに適した機能を提供しており、様々な用途で活用することができます。

データの読み書き、バイナリデータの操作、画像や音声データの処理、暗号化・復号化など、バッファを使って効率的にデータを処理することができます。

ただし、エンディアンやデータ型の問題に注意し、適切なメソッドを使用してデータを扱うことが重要です。

バッファを活用して、柔軟で高性能なアプリケーションを実現しましょう。