一文解锁 PDF 文件：使用 JavaScript 和 Canvas 渲染 PDF 内容
原文：https://zhuanlan.zhihu.com/p/631442533
最近研究了Web的FileSystemAccessApi，它弥补了 Web 长期以来缺少的能力：操作用户设备中的文件；而如今通过这个 Api 我们能够实现常见的文件操作：创建、删除、修改、移动等。
研究FileSystemAccess与其他相关的知识，我才发现如今的 Web 不单单只是一个网页了，推翻了我以往对于 Web 的认知。
具体而言，PWA 能够让一个网站安装至用户设备，文件操作系统与 Storage Api 允许操作用户文件，Share Target能够让我们将已安装网站设为指定文件格式的打开目标，这已经能够代替一些简单的文件处理程序了；对于性能，WebAssembly也在不断发展中，目前缺少的只有文件访问权限的持久化，随着发展，相信未来一些处理文件的 Web 程序更多的会以桌面应用的形式存在，就如同Excalidraw一般。
也因此，萌生了研究 JS 中二进制操作的想法，这里以解析 PDF 为例，探讨研究对于 JS 中二进制操作的方式。
PDF 文档结构
特定类型的文件，它们的文件格式总是相同的，也就是说有通用的解析方法，PDF 文件也不例外。
一个 PDF 文档主要有以下 4 个部分：
- Header
- Body
- Xref
- Trailer
这 4 个部分共同组成了一个 PDF 文档。
Header
对于一个不可执行的文件来说，它的存在只是为了被读取，具体的行为是由解析器来决定的，而解析器为了知道当前文件是否能够被自己处理，就需要一个特定标识，这被称为 magic number，它通常存在于文件的头部，PDF 的标识被定义为 % PDF - 版本号，其中 % PDF 是固定的，对应的字节为0x250x500x440x46。
在 Header 的下一行，通常会添加一些不可读的字节数据，这些数据是为了兼容传统文件传输程序，让它们知道当前文件是一个二进制文件。
Body
在 PDF 文档中，并没有一个标识 Body 区域的特征，它只是泛指 PDF 中的页面、资源、流等数据，这些数据被抽象为一个个对象，通过这些对象我们才能将 PDF 文档解析为可读的内容。
一个标准的对象格式为：
1 0 obj % 1 为对象编号，0 为对象版本号
<< >>
endobj
Xref（交叉引用表）
Xref 是 PDF 中存储对象偏移的区域，通过它我们能够快速的访问到指定的对象，而不必处理完整的文档，这意味着解析 PDF 文档是非常快的，举例来说，如果我们想要解析 PDF 中的第一个页面，首先获取到这个页面对象在 Xref 中的索引，然后根据存储的偏移位置访问到这个对象。
Xref 的表现形式如下：
xref 关键字标示着交叉引用表的开始，下一行的 0 39，0 表示对象开始的索引，39 表示对象的个数，在表中第一个条目表示特殊条目，不指向任何对象。
Trailer
Trailer 位于文档尾部，其中的数据描述了如何读取当前文档，一个 PDF 解析器首先需要处理的就是这一部分的数据。
一个简单的 Trailer 如下：
trailer 的数据存储在字典<<>>里，其中必须存在 Size 和 Root 属性，Size 标识着当前文档的对象个数，Root 是一个间接引用，指向了当前文档的文档目录，通过文档目录能够获取到页面信息，进而找到需要解析的页面。
在 trailer 的后面，通常跟着 startxref 的数据，这里存放了交叉引用表的位置偏移。
PDF 数据类型
PDF 为了方便数据的管理，定义了一些数据类型，分别有：
- 字典：包裹在
<<>>中，其中的数据两两成对，一个为键一个为值，键必须是名称，值可以是任意类型，例如<< /Size 60 >>。 - 数组：包裹在
[ ]中，数组元素可以是任意类型。 - 间接引用：引用 PDF 中的对象，格式为 1 0 R，其中 1 为对象编号，0 为对象的版本号。
- 字符串：PDF 中，字符串有两种表现形式，一种被 () 包裹，其中内容可以是任意的字符，一种被
<>包裹，其中数据是 16 进制的字符串数字。 - 数字：整数和实数。
- 名称：以
/开始，如/Catalog，用于字典中的键或其他用途，名称通常映射了另一个实际的值。 - 布尔值：true | false。
- null：null 值。
PDF 中通常使用字典来描述当前对象的相关信息。
除了这些基本数据外，PDF 还存在着不可被解析为可读文本的流数据，通常用于存储图像、字体和压缩后的绘图指令，它的表现形式如下：
12 0 obj
<< >>
stream
% 流数据
endstream
endobj
PDF Parser
了解了 PDF 文档的基本格式后，对于如何解析我们就有了一个概念，思路大概如下：
- 解析 Header，通过 magic number 判断当前文件是否是 PDF 文档。
- 从文件尾部读取，通过 startxref 记录交叉引用表的地址。
- 解析 trailer，并记录其中数据。
- 解析 xref，记录文档中对象的地址。
这些步骤执行完后，我们就能通过获取到的数据任意的访问需要的对象，并根据对象内容进行 PDF 页面的渲染。当然，在此之前我们需要先获取到文件数据。
获取文件数据
web 想要获取到文件，常用的方法就是<input type="file" />，但其实它获取的只是一个类似指针的东西，并不存在真实的数据，在获取到文件指针后我们还需要通过 FileReader 将文件数据读取到内存，同时因为读出来的数据是一个 ArrayBuffer 实例，没有直观的数据形式，所以我们需要将他转换为 TypedArray 或 DataView，代码如下：
const getBufferView = (file: File) => {
return new Promise<Uint8Array>((resolve, reject) => {
const reader = new FileReader();
reader.onload = () => {
resolve(new Uint8Array(reader.result as ArrayBuffer));
};
reader.onerror = reject;
reader.readAsArrayBuffer(file);
});
};
这里我们将文件读取后转换为了 Uint8Array 实例，之所以选择它，是因为 PDF 中可读数据都存在于 ASCII 码表中，而 8 位二进制所能表示的最大值是 255，足以表示 ASCII 码表中的所有数据。
这里我随便选择了一个 PDF 文档，打印出来的数据如下：
图片中，25 是一个 16 进制数值（两个 16 进制所能表示的最大值是 255，也就是一字节），转换为 10 进制为 37，在 ASCII 码表中对应的字符就是 %。
数据标识
虽然 PDF 中的一些辅助信息通常是可读的字符串，但通过字符串的方式解析这些信息是不可取的，因为字符串操作本身存在性能问题，而我们要处理的又是动辄数以万计的字节数据，所以这里我采用了直接对比字节数据的方式，为此我封装了一个工具函数：
const isTypeOf =
(binary: number[]) => (maybe: Uint8Array, offset?: number) =>
binary.every((correct, i) => correct === maybe[i + (offset || 0)]);
这个工具函数接收一个字节标识，返回一个对比函数，对比函数通过对字节标识的按位对比来判断数据是否相等，需要注意的是对比函数还支持一个可选的字节偏移，指示应从数据的哪个位置开始对比。这个函数的使用如下：
const Flag = {
/** pdf magic number */
IS_PDF: [0x25, 0x50, 0x44, 0x46]
};
const isPDF = isTypeOf(Flag.IS_PDF);
isPDF(uint8); // PDF 的 magic number 位于文件的头部，偏移为 0，可以不用指定偏移数
数据类型解析
PDF 中，trailer 和对象的描述信息都存在于字典中，而字典中又可能存在其他的 PDF 数据类型，因此只有能够解析它们，我们才能获取到其中的数据。
个人的思路是仿照 vue 对于模板字符串的解析一样，维护一个状态栈，不断的读取数据，当遇到标识的开头时，将特定的数据推入栈中，遇到标识的结尾时，将这个数据弹出，这样能够保证数据的层级，同时可以判断解析是否出错（遇到标识结尾时与状态栈顶进行对比）。
例如：在遇到字典开始的字节数据时（[0x3c, 0x3c]），将表示字典的标识数据推入栈中，在遇到字典结束的字节数据时（[0x3e, 0x3e]），将栈顶数据弹出并判断栈顶数据是否为字典标识。
相关代码如下：
/** 将 Uint8Array 解码为可读文本 */
const toText = (binary: Uint8Array) => new TextDecoder().decode(binary);
class PDFParser {
/** 被处理的文件数据 */
bytes: Uint8Array;
/** 字节偏移 */
offset = 0;
/** 缓存字节偏移，当解析不成功时回退偏移 */
beforeOffset = 0;
/** 数组解析深度 */
depth = 0;
/** 状态栈 */
stateStack: PDF.StateStack = [];
constructor(bytes: Uint8Array) {
/** 文件数据 */
this.bytes = bytes;
}
/** 字节偏移前进控制 */
forward(step?: number) {
return isNumber(step) ? (this.offset += step) : ++this.offset;
}
/** 字节偏移后退控制 */
back(step?: number) {
return isNumber(step) ? (this.offset -= step) : --this.offset;
}
/** 字节偏移设置 */
set(before: number) {
return (this.offset = before);
}
/** 缓存当前字节偏移 */
cache() {
this.beforeOffset = this.offset;
}
/** 回退字节偏移 */
reset() {
this.offset = this.beforeOffset;
}
/** 解析值 */
parseValue(stream: Uint8Array, decision?: ReturnType<typeof isTypeOf>) {
/** 数据开始 */
let startOffset = this.offset;
const isBreak = (bytes: Uint8Array, offset?: number) =>
decision
? !decision(bytes, offset)
: !isBreakPoint(bytes, offset) &&
!isEnd(bytes, offset) &&
!isStart(bytes, offset);
for (; ; this.forward()) {
/** 不为断点则视为数据开始 */
if (isBreakPoint(stream, this.offset)) continue;
/** 开始偏移 */
startOffset = this.offset;
for (; ; this.forward()) {
/** 为断点处或为特征数据结尾则视为数据结束 */
if (isBreak(stream, this.offset)) continue;
return stream.slice(startOffset, this.offset);
}
}
}
/** 解析数字 */
parseNumber(stream: Uint8Array) {
/** 缓存偏移 */
this.cache();
/** 解析值请判断是否为数字 */
const num = window.parseFloat(toText(this.parseValue(stream)));
if (!isNumber(num)) {
/** 不为数字则回退偏移 */
this.reset();
return false;
}
/** 否则返回数字 */
return num;
}
/** 解析引用：1 0 R */
parseQuote(stream: Uint8Array) {
/** 解析数字 */
const serial = this.parseNumber(stream);
/** 不为数字说明不是间接引用 */
if (!isNumber(serial)) return false;
/** 缓存偏移 */
this.cache();
/** 是否为数字，且后跟 R 标识 */
const version = window.parseFloat(toText(this.parseValue(stream)));
const isQuoteFlag = isQuote(this.parseValue(stream));
/** 不为数字或不存在 R 标识则回退偏移，并返回第一个数字 */
if (!isNumber(version) || !isQuoteFlag) {
this.reset();
return serial;
}
/** 返回间接引用 */
return { type: 'quote', serial, version } as const;
}
/** 解析数组 */
parseMultivalued(stream: Uint8Array) {
const values: unknown[] = [];
let value: unknown = undefined;
/** 解析引用或数字 */
const addQuote = () => {
value = this.parseQuote(stream);
value !== false && values.push(value);
};
/** 默认执行一次 */
addQuote();
/** 不为数组结束符号 ] 时执行循环体 */
while (!isSquareBracketEnd(stream, this.offset)) {
switch (true) {
/** 解析字典 */
case isDictionaryStart(stream, this.offset):
values.push(this.parseDictionary(stream));
break;
/** 解析数组 */
case isSquareBracketStart(stream, this.offset):
this.forward(Feature.SQUARE_BRACKET_START.length);
/** 解析深度加 一 */
this.depth++;
values.push(this.parseMultivalued(stream));
break;
/** 解析名称 */
case isInclined(stream, this.offset):
this.forward(Feature.INCLINED.length);
values.push({ type: 'name', value: toText(this.parseValue(stream)) });
break;
/** 解析字符串 */
case isArrowStart(stream, this.offset):
this.forward();
values.push(toText(this.parseValue(stream, isArrowEnd)));
break;
/** 解析字符串 */
case isParenthesesStart(stream, this.offset):
this.forward();
values.push(toText(this.parseValue(stream, isParenthesesEnd)));
break;
default:
this.forward();
addQuote();
break;
}
}
/** 递归解析数组, 如果解析深度不为 0, 则上层数组还需继续解析数组元素 */
if (this.depth !== 0) {
/** 字节偏移前进一位，避免上层数组解析到内部数组的 ] 符号而中止循环 */
this.forward(Feature.SQUARE_BRACKET_END.length);
this.depth--;
}
return values;
}
/** 解析字典 */
parseDictionary<T>(stream: Uint8Array): T {
/** 字典数据 */
const dictionary = {} as T;
/** 是否结束当前解析 */
let jumpOut = false;
/** 当前键 */
let key = '';
/** 顶部栈数据 */
const top = () => this.stateStack[this.stateStack.length - 1];
/** 状态栈弹出 */
const popStack = (key: PDF.StateStackKeys) => {
const topKey = this.stateStack.pop();
/** 顶部栈数据与当前数据不一致时，则解析出错 */
if (!isEqual(topKey, key)) {
throw Error(
'analyze the PDF error, please contact the plug -in developer'
);
}
};
/** jumpOut 在遇到字典结尾符号 >> 时会为 true，则停止循环解析 */
while (!jumpOut) {
switch (true) {
/** 字典开头 <<，字节为 [0x3c, 0x3c] */
case isDictionaryStart(stream, this.offset):
this.forward(Feature.DICTIONARY_START.length);
this.stateStack.push('DICTIONARY_START');
if (key !== '') {
// 递归字典解析
dictionary[key] = this.parseDictionary(this.bytes);
key = '';
}
break;
/** 字典结尾 >>，字节数据为 [0x3e, 0x3e] */
/** 可能是字符串与字典结尾 >>>，因此需要判断顶部栈是否是字典结尾 */
case isEqual(top(), 'DICTIONARY_START') &&
isDictionaryEnd(stream, this.offset):
this.forward(Feature.DICTIONARY_END.length);
popStack('DICTIONARY_START');
jumpOut = true;
break;
/** 数组开始 [，字节数据为 [0x5b] */
case isSquareBracketStart(stream, this.offset):
this.forward(Feature.SQUARE_BRACKET_START.length);
this.stateStack.push('SQUARE_BRACKET_START');
// 数组解析
dictionary[key] = this.parseMultivalued(stream);
key = '';
break;
/** 数组结束 ]，字节数据为 [0x5d] */
case isSquareBracketEnd(stream, this.offset):
this.forward(Feature.SQUARE_BRACKET_END.length);
popStack('SQUARE_BRACKET_START');
break;
/** 名称 /，字节数据为 [0x2f] */
case isInclined(stream, this.offset):
this.forward(Feature.INCLINED.length);
/* * 解析名称，需要注意的时，字典中的数据是两两成对的，键为名称，值也可以是名称，所以这里通过一个变量 key 缓存键， * 当再次进入到当前代码块是判断 key 是否存在数据，存在则当前名称应作为值。 **/
if (key !== '' && key in dictionary && isUndef(dictionary[key])) {
dictionary[key] = {
type: 'name',
value: toText(this.parseValue(stream))
};
key = '';
} else {
key = toText(this.parseValue(stream));
/** * 遇到名称时，如果这个名称没有被作为值使用，则会默认继续一次，如果解析的数据不为数字或引用， * 则会回退字节偏移并继续循环解析。 */
dictionary[key] = this.parseQuote(stream) || undefined;
}
break;
/** 16 进制字符串开始 <，字节数据为 [0x3c] */
case isArrowStart(stream, this.offset):
this.forward(Feature.ARROW_START.length);
this.stateStack.push('ARROW_START');
// 字符串解析
dictionary[key] = toText(this.parseValue(stream, isArrowEnd));
key = '';
break;
/** 16 进制字符串结束 >，字节数据为 [0x3e] */
case isArrowEnd(stream, this.offset):
this.forward(Feature.ARROW_END.length);
popStack('ARROW_START');
break;
/** 字符串开始 (，字节数据为 [0x28] */
case isParenthesesStart(stream, this.offset):
this.forward(Feature.PARENTHESES_START.length);
this.stateStack.push('PARENTHESES_START');
// 字符串解析
dictionary[key] = toText(this.parseValue(stream, isParenthesesEnd));
key = '';
break;
/** 字符串结束 )，字节数据为 [0x29] */
case isParenthesesEnd(stream, this.offset):
this.forward(Feature.PARENTHESES_END.length);
popStack('PARENTHESES_START');
break;
default:
/** 没有匹配时默认前进一位偏移 */
this.forward();
break;
}
}
/** 返回字典对象 */
return dictionary;
}
}
上述代码虽然多，但基本操作都是相同的，只是不断的前进字节偏移并对匹配的数据做处理，需要注意的只是对于字节偏移的管理。
这里我们以 trailer 中的图片为例，它所解析出来的数据如下：
截图中，Root 对象的 type 属性是自定义的，表明这个对象是一个间接引用，serial 引用的对象编号，通常也可以看作是在交叉引用表中的索引，version 则是引用对象的版本号。
交叉引用表解析
到目前为止，我们只知道文档目录的对象编号（上文中 Root 的 serial 属性），而不知道文档目录所在的字节偏移，因此接下来我们需要解析交叉引用表，代码如下：
getPdfXref(stream: Uint8Array) {
// startxref 记录了交叉引用表所在的字节偏移
/** 设置偏移为 startxref + xref 的长度 */
this.set(this.startxref + Flag.XREF.length);
/** 解析对象开始编号 */
this.parseValue(stream);
/** 解析对象个数 */
let size = window.parseFloat(toText(this.parseValue(stream)));
while (size--) {
/** 解析对象偏移 */
this.xref.push(window.parseFloat(toText(this.parseValue(stream))));
/** 未知 */
this.parseValue(stream);
/** 标识 */
this.parseValue(stream);
}
}
这里我们着重讲解下 parseValue 方法的作用，在 PDF 中，数据分割通常使用空格符、换行符来实现，parseValue 就是在不断的前进字节偏移中，找到不为分割符号的字节偏移，将其作为数据的开始，然后继续前进，当遇到分割符号时，将当前的字节偏移作用数据的结束，并将两个字节偏移中的数据切割出来。
使用上述代码对于 Xref 解析出来的数据如下：
现在，我们已经能够通过对象编号与交叉引用表获取到指定对象的字节偏移了，在上文中，Root 文档对象的字节偏移可以通过 xref [Root.serial] 来获取。
Catalog 与 Pages
在 trailer 中，Root 指向了文档目录，文档目录的基本格式如下：
其中，Type 和 Pages 是必须的，Type 必须是 Catalog，表示这是一个文档目录；而 Pages 引用了 PDF 中页面树的根节点对象。
Pages 根节点对象的基本格式如下：
这里我们只需要关注 Kids 属性所对应的数据，它是一个数组，数组中的每个间接引用就是一个页面，接下来我们可以通过页面对象的内容使用 Canvas 来绘制 PDF 文档了。
Canvas Draw
这里我们以上文中的第一个页面为例，讲解如何解析页面内容并绘制到 canvas 中。该页面的对象编号为 6，它的基本信息如下：
对于一个页面对象来说，它必须存在以下属性：
- Type：必须是 Page，表示当前对象是一个页面。
- Parent：指向父节点。
- Contents：指向内容对象，通常存放压缩后的绘图指令。
- Resources：页面的资源，如图形状态、字体、图片等。
解码绘图指令
上述页面的内容被存放在对象 7 中，它的基本信息如下：
Filter 指示数据使用了什么压缩算法，Length 则表示压缩后数据的字节长度，在字典信息后，跟随着 stream 关键字，表示流数据的开始，endstream 则标识着流数据的结束。
对于压缩算法，个人不是很了解，所以这里使用了第三方类库 pako 来对流数据进行解压缩，上图中的流数据被解压后是可读的绘图指令，如下图：
绘制文档
接下来我们要做的事情就很明确了，我们只需要不断的读取绘图指令并使用 canvas 进行绘制，就可以将一个 PDF 文档展示出来了，但我们需要注意两者之间的差异：canvas 和 PDF 的坐标系是不同的，且 PDF 中使用的单位是 Point 而不是 Pixel。
对于 PDF 中的绘图指令来说，它是后置位的，也就是说操作数在前，操作符在后，我们可以通过一个栈来维护其中的数据，以下图为例：
前面 6 个数值为操作数，cm 则是一个表示转换矩阵的操作符，当我们读取时，将数值依次压入栈中，当读取到 cm 指令时将栈中的数据依次出栈并作为指令的参数。
绘制图像
PDF 的 Do 操作符允许在当前位置输出一个外部对象，通常是一张图片，Do 操作符的入参是一个名称，这个名称映射了一个间接引用，通过引用可以知道它的字节偏移，从而解析相对应的图像数据并绘制到 canvas 中，注意，对于图像来说，必须在 onload 事件之后绘制到画布上，否则会无法显示。
解析文字
PDF 中，通常不会直接存储页面上的文本，而是转换为 Unicode 编码，并将其与另一个 Unicode 编码值相映射，在展示文本时，找到对应的字体对象，通过 ToUnicode 引用找到映射对象，解压其中的流数据就能找到实际的文字内容，如下图：
解压图中 obj 13 的流数据后会得到类似下图的数据：
左侧的 16 进制字符串是在绘制指令中使用，右侧的 16 进制字符串才是真正的 Unicode 码值，可以通过 String.fromCodePoint 转换为文字内容。
示例
个人写了一个简单的 PDF 解析示例，因为对于绘图相关知识不是很懂，解析出来的位置，偏移还有转换等还有毛病，同时因为只是参照一两个 PDF 文件进行代码编写的，所以会有解析失败的情况，以下是个人简历解析出来的样式：
可能是矩阵转换的原因，图片角度是有问题的，在绘制文本时，矩阵的缩放系数是很小的，导致无法看到文本，这里还能看到是因为做了处理。
最后
参考：
- https%3A//zxyle.github.io/PDF-Explained/
- https%3A//blog.csdn.net/xzz/article/details/4447123
- https%3A//blog.csdn.net/u012632138/article/details/81559375
- https%3A//www.cnblogs.com/Primzahl/p/14735567.html
- https%3A//www.cnblogs.com/warcraft/p/10998541.html
- https%3A//www.cnblogs.com/adair-blog/p/14107894.html
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