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前端进阶算法2:从Chrome V8源码看JavaScript数组(附赠腾讯面试题)

简介

数组、链表、栈、队列都是线性表,它表示的结构都是一段线性的结构,与之对应的就是非线性表,例如树、图、堆等,它表示的结构都非线性。

本节主要介绍 JavaScript 数组,在开始本章节前,思考一个问题:

我们知道在 JavaScript 中,可以在数组中保存不同类型值,并且数组可以动态增长,不像其它语言,例如 C,创建的时候要决定数组的大小,如果数组满了,就要重新申请内存空间。这是为什么喃?

本节从 Chrome v8 源码角度回答这个问题,分为四个方面:

  • 数组基础入门
  • JavaScript 中,数组为什么可以保存不同类型?
  • JavaScript 中,数组是如何存储的喃?
  • JavaScript 中,数组的动态扩容与减容( FastElements

下面进入正题吧!(文末有惊喜)😊

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一、数组(基础)

一种最基础的数据结构,每种编程语言都有,它编号从 0 开始,代表一组连续的储存结构,用来储存同一种类型的数据。

let arr = [1, 2, 3]
复制代码

它的这种特定的存储结构(连续存储空间存储同一类型数据)决定了:

优点

  • 随机访问:可以通过下标随机访问数组中的任意位置上的数据

缺点

  • 对数据的删除和插入不是很友好

查找: 根据下标随机访问的时间复杂度为 O(1);

插入或删除: 时间复杂度为 O(n);

在 JavaScript 中的数组几乎是万能的,它不光可以作为一个普通的数组使用,可以作为栈或队列使用。

数组:

let array = [1, 2, 3]
复制代码

栈:

let stack = [1, 2, 3]
// 进栈
stack.push(4)
// 出栈
stcak.pop()
复制代码

队列:

let queue = [1, 2, 3]
// 进队
queue.push(4)
// 出队
queue.shift()
复制代码

二、JavaScript 中,数组可以保存不同类型值

看一下 Chrome v8 源码:

// The JSArray describes JavaScript Arrays
//  Such an array can be in one of two modes:
//    - fast, backing storage is a FixedArray and length <= elements.length();
//       Please note: push and pop can be used to grow and shrink the array.
//    - slow, backing storage is a HashTable with numbers as keys.
class JSArray: public JSObject {
 public:
  // [length]: The length property.
  DECL_ACCESSORS(length, Object)
    
  // ...
   
  // Number of element slots to pre-allocate for an empty array.
  static const int kPreallocatedArrayElements = 4;
};
复制代码

我们可以看到 JSArray 是继承自 JSObject 的,所以在 JavaScript 中,数组可以是一个特殊的对象,内部也是以 key-value 形式存储数据,所以 JavaScript 中的数组可以存放不同类型的值。

三、JavaScript 中,数组的存储

// The JSArray describes JavaScript Arrays
//  Such an array can be in one of two modes:
//    - fast, backing storage is a FixedArray and length <= elements.length();
//       Please note: push and pop can be used to grow and shrink the array.
//    - slow, backing storage is a HashTable with numbers as keys.
class JSArray: public JSObject {
 public:
  // [length]: The length property.
  DECL_ACCESSORS(length, Object)
    
  // ...
   
  // Number of element slots to pre-allocate for an empty array.
  static const int kPreallocatedArrayElements = 4;
};
复制代码

JSArray 继承于 JSObject ,从注释上看,它有两种存储方式:

  • fast:存储结构是 FixedArray ,并且数组长度 <= elements.length()pushpop 时可能会伴随着动态扩容或减容
  • slow:存储结构是 HashTable(哈希表),并且数组下标作为 key

fast 模式下数组在源码里面叫 FastElements ,而 slow 模式下的叫做 SlowElements

1. 快数组(FastElements)

FixedArray 是 V8 实现的一个类似于数组的类,它表示一段连续的内存,可以使用索引直接定位。新创建的空数组默认就是快数组。当数组满(数组的长度达到数组在内存中申请的内存容量最大值)的时候,继续 push 时, JSArray 会进行动态的扩容,以存储更多的元素。

2. 慢数组(SlowElements)

慢数组以哈希表的形式存储在内存空间里,它不需要开辟连续的存储空间,但需要额外维护一个哈希表,与快数组相比,性能相对较差。

// src/objects/dictionary.h
class EXPORT_TEMPLATE_DECLARE(V8_EXPORT_PRIVATE) Dictionary
    : public HashTable<Derived, Shape> {
  using DerivedHashTable = HashTable<Derived, Shape>;

 public:
  using Key = typename Shape::Key;
  // Returns the value at entry.
  inline Object ValueAt(InternalIndex entry);
  inline Object ValueAt(const Isolate* isolate, InternalIndex entry);
  
  // ...
};
复制代码

从源码中可以看出,它的内部就是一个 HashTable。

3. 什么时候会从 fast 转变为 slow 喃?

从 Chrome V8 源码上看,

// src/objects/js-objects.h
static const uint32_t kMaxGap = 1024;

// src/objects/dictionary.h
// JSObjects prefer dictionary elements if the dictionary saves this much
// memory compared to a fast elements backing store.
static const uint32_t kPreferFastElementsSizeFactor = 3;

// src/objects/js-objects-inl.h
// If the fast-case backing storage takes up much more memory than a dictionary
// backing storage would, the object should have slow elements.
// static
static inline bool ShouldConvertToSlowElements(uint32_t used_elements,
                                               uint32_t new_capacity) {
  uint32_t size_threshold = NumberDictionary::kPreferFastElementsSizeFactor *
                            NumberDictionary::ComputeCapacity(used_elements) *
                            NumberDictionary::kEntrySize;
  // 快数组新容量是扩容后的容量3倍之多时,也会被转成慢数组
  return size_threshold <= new_capacity;
}

static inline bool ShouldConvertToSlowElements(JSObject object,
                                               uint32_t capacity,
                                               uint32_t index,
                                               uint32_t* new_capacity) {
  STATIC_ASSERT(JSObject::kMaxUncheckedOldFastElementsLength <=
                JSObject::kMaxUncheckedFastElementsLength);
  if (index < capacity) {
    *new_capacity = capacity;
    return false;
  }
  // 当加入的索引值(例如例3中的2000)比当前容量capacity 大于等于 1024时,
  // 返回true,转为慢数组
  if (index - capacity >= JSObject::kMaxGap) return true;
  *new_capacity = JSObject::NewElementsCapacity(index + 1);
  DCHECK_LT(index, *new_capacity);
  // TODO(ulan): Check if it works with young large objects.
  if (*new_capacity <= JSObject::kMaxUncheckedOldFastElementsLength ||
      (*new_capacity <= JSObject::kMaxUncheckedFastElementsLength &&
       ObjectInYoungGeneration(object))) {
    return false;
  }
  return ShouldConvertToSlowElements(object.GetFastElementsUsage(),
                                     *new_capacity);
}
复制代码

所以,当处于以下情况时,快数组会被转变为慢数组:

  • 当加入的索引值 index 比当前容量 capacity 差值大于等于 1024 时(index - capacity >= 1024)
  • 快数组新容量是扩容后的容量 3 倍之多时

例如:向快数组里增加一个大索引同类型值

var arr = [1, 2, 3]
arr[2000] = 10;
复制代码

当往 arr 增加一个 2000 的索引时,arr 被转成慢数组。节省了大量的内存空间(从索引为 2 到索引为 2000)。

4. 什么时候会从 slow 转变为 fast 喃?

我们已经知道在什么时候会出现由快变慢,那由慢变快就很简单了

static bool ShouldConvertToFastElements(JSObject object,
                                        NumberDictionary dictionary,
                                        uint32_t index,
                                        uint32_t* new_capacity) {
  // If properties with non-standard attributes or accessors were added, we
  // cannot go back to fast elements.
  if (dictionary.requires_slow_elements()) return false;
  // Adding a property with this index will require slow elements.
  if (index >= static_cast<uint32_t>(Smi::kMaxValue)) return false;
  if (object.IsJSArray()) {
    Object length = JSArray::cast(object).length();
    if (!length.IsSmi()) return false;
    *new_capacity = static_cast<uint32_t>(Smi::ToInt(length));
  } else if (object.IsJSArgumentsObject()) {
    return false;
  } else {
    *new_capacity = dictionary.max_number_key() + 1;
  }
  *new_capacity = Max(index + 1, *new_capacity);
  uint32_t dictionary_size = static_cast<uint32_t>(dictionary.Capacity()) *
                             NumberDictionary::kEntrySize;
  // Turn fast if the dictionary only saves 50% space.
  return 2 * dictionary_size >= *new_capacity;
}
复制代码

当慢数组的元素可存放在快数组中且长度在 smi 之间且仅节省了50%的空间,则会转变为快数组

四、JavaScript 中,数组的动态扩容与减容(FastElements)

默认空数组初始化大小为 4 :

// Number of element slots to pre-allocate for an empty array.
static const int kPreallocatedArrayElements = 4;
复制代码

在 JavaScript 中,当数组执行 push 操作时,一旦发现数组内存不足,将进行扩容。

在 Chrome 源码中, push 的操作是用汇编实现的,在 c++ 里嵌入的汇编,以提高执行效率,并且在汇编的基础上用 c++ 封装了一层,在编译执行的时候,会将这些 c++ 代码转成汇编代码。

计算新容量的函数:

// js-objects.h
static const uint32_t kMinAddedElementsCapacity = 16;

// code-stub-assembler.cc
Node* CodeStubAssembler::CalculateNewElementsCapacity(Node* old_capacity,
                                                      ParameterMode mode) {
  CSA_SLOW_ASSERT(this, MatchesParameterMode(old_capacity, mode));
  Node* half_old_capacity = WordOrSmiShr(old_capacity, 1, mode);
  Node* new_capacity = IntPtrOrSmiAdd(half_old_capacity, old_capacity, mode);
  Node* padding =
      IntPtrOrSmiConstant(JSObject::kMinAddedElementsCapacity, mode);
  return IntPtrOrSmiAdd(new_capacity, padding, mode);
}
复制代码

所以扩容后新容量计公式为:

new_capacity = old_capacity /2 + old_capacity + 16

即老的容量的 1.5 倍加上 16 。初始化为 4 个,当 push 第 5 个的时候,容量将会变成:

new_capacity = 4 / 2 + 4 + 16 = 22

接着申请一块这么大的内存,把老的数据拷过去,把新元素放在当前 length 位置,然后将数组的 length + 1,并返回 length。

所以,扩容可以分为以下几步:

  • push 操作时,发现数组内存不足
  • 申请 new_capacity = old_capacity /2 + old_capacity + 16 那么长度的内存空间
  • 将数组拷贝到新内存中
  • 把新元素放在当前 length 位置
  • 数组的 length + 1
  • 返回 length

整个过程,用户是无感知的,不像 C,需用用户手动申请内存空间。

当数组执行 pop 操作时,会判断 pop 后数组的容量,是否需要进行减容。

不同于数组的 push 使用汇编实现的, pop 使用 c++ 实现的。

判断是否进行减容:

if (2 * length <= capacity) {
  // If more than half the elements won't be used, trim the array.
  isolate->heap()->RightTrimFixedArray(*backing_store, capacity - length);
} else {
  // Otherwise, fill the unused tail with holes.
  BackingStore::cast(*backing_store)->FillWithHoles(length, old_length);
}
复制代码

所以,当数组 pop 后,如果数组容量大于等于 length 的 2 倍,则进行容量调整,使用 RightTrimFixedArray 函数,计算出需要释放的空间大小,做好标记,等待 GC 回收;如果数组容量小于 length 的 2 倍,则用 holes 对象填充。

所以,减容可以分为以下几步:

  • pop 操作时,获取数组 length
  • 获取 length - 1 上的元素(要删除的元素)
  • 数组 length - 1
  • 判断数组的总容量是否大于等于 length - 1 的 2 倍
  • 是的话,使用 RightTrimFixedArray 函数,计算出需要释放的空间大小,并做好标记,等待 GC 回收
  • 不是的话,用 holes 对象填充
  • 返回要删除的元素

五、解答开篇问题

JavaScript 中, JSArray 继承自 JSObject ,或者说它就是一个特殊的对象,内部是以 key-value 形式存储数据,所以 JavaScript 中的数组可以存放不同类型的值。它有两种存储方式,快数组与慢数组,初始化空数组时,使用快数组,快数组使用连续的内存空间,当数组长度达到最大时,JSArray 会进行动态的扩容,以存储更多的元素,相对慢数组,性能要好得多。当数组中 hole 太多时,会转变成慢数组,即以哈希表的方式( key-value 的形式)存储数据,以节省内存空间。

六、最后附赠一道前端面试题(腾讯):数组扁平化、去重、排序

关于 Array 的属性、方法这里不再做介绍,详看 MDN Array

面试题:

已知如下数组:var arr = [ [1, 2, 2], [3, 4, 5, 5], [6, 7, 8, 9, [11, 12, [12, 13, [14] ] ] ], 10];

编写一个程序将数组扁平化去并除其中重复部分数据,最终得到一个升序且不重复的数组

答案:

var arr = [ [1, 2, 2], [3, 4, 5, 5], [6, 7, 8, 9, [11, 12, [12, 13, [14] ] ] ], 10]
// 扁平化
let flatArr = arr.flat(4)
// 去重
let disArr = Array.from(new Set(flatArr))
// 排序
let result = disArr.sort(function(a, b) {
    return a-b
})
console.log(result)
// [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14]
复制代码

关于 Set 请查阅 Set、WeakSet、Map及WeakMap

参考链接:

探究JS V8引擎下的“数组”底层实现

从Chrome源码看JS Array的实现

七、认识更多的前端道友,一起进阶前端开发

前端算法集训营第一期开营啦🎉🎉🎉

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