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从V8引擎来看JS中这个"假数组"

前言

数组是前端日常开发中最常见的一种数据类型,但你真的了解数组吗?JS中的数组又是怎么实现的呢?通过本文,你将了解:

  • JS数组和传统数组的区别
  • V8引擎为“传统”数组做了哪些优化
  • 快数组和慢数组
  • ArrayBuffer

什么是数组?

数组(Array)在维基百科上的解释是:

数组是由相同类型的元素(element)的集合所组成的数据结构,分配一块连续内存来存储。

注意,这里有两个关键词:相同类型连续内存,这是作为一个“真数组”的充分必要条件!好,重点来了:

let arr = [100, 'foo', 1.1, {a: 1}];
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上面代码表示JS中的一个常规的数组,那么数组元素为啥可以是多种类型共存?这就有意思了,维基百科对于数组的描述应该是具有一定权威的,难道JS的数组不是真的“数组”?

这么来看,我们姑且推断一个小结论:

∵ 不同数据类型存储所需空间大小不同

∴ JS中用来存放数组的内存地址一定不是连续的(除非类型相同)

因此我们大胆猜测,JS中的数组实现一定不是基础的数据结构实现的!所以JS中原本没有“真正”的数组!这就引起了我的好奇心了,那么JS中是如何“实现”数组这个概念的呢? 我们来一探究竟!

数组中概念一:连续内存

在讲连续内存前,先来了解下什么是内存,知道的本节直接绕过。

1)什么是内存?

通俗理解,在计算机中,CPU用于数据的运算,而数据来源于硬盘,但考虑到CPU直接从硬盘读写数据效率低,所以内存在其中扮演了“搬运工”的角色。

内存是由DRAM(动态随机存储器)芯片组成的。DRAM的内部结构可以说是PC芯片中最简单的,是由许多重复的“单元”——cell组成,每一个cell由一个电容和一个晶体管(一般是N沟道MOSFET)构成,电容可储存1bit数据量,充放电后电荷的多少(电势高低)分别对应二进制数据0和1。

DRAM由于结构简单,可以做到面积很小,存储容量很大。用芯片短暂存储数据,读写的效率要远高于磁盘。所以内存的运行也决定了计算机的稳定运行。

2)内存和数组的故事

了解完什么是内存后,回过头再来看一下数组的概念:

数组是由相同类型的元素(element)的集合所组成的数据结构,分配一块连续内存来存储。

那么数组中的连续内存说的是,通过在内存中划出一串连续且长度固定的空间,用来于存放一组有限且数据类型相同的数据结构。在C/C++、Java等编译型语言中数组的实现都是这个。C++数组声明示例代码如下:

// 数据类型 数组名[元素数量]
double balance[10];
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上述代码中,需要指定元素类型和数量,这非常重要。细细品味其中的蕴含的内容,将其联系到内存以及计算机运行原理信息量很大!

数组中概念二:固定长度

从上面说的就很容易理解,计算机语言设计者为什么要让C/C++、Java这类编译型语言在数组的设计上要固定长度。因为数组空间数连续的,所以这就意味着内存中需要有一整块的空间用来存放数组。如果长度不固定,那么内存中位于数组之后的区域没法继续往下分配了!内存不知道当前数组还要不要继续存放,要多少空间了。毕竟数组后面的空间得要留出来给别人去用,不可能让你(数组)一直霸占着对吧。

数组中概念三:相同数据类型

为什么数组的定义需要每个元素数据类型相同呢。其实比较容易理解了,如果数组允许各种类型的数据,那么每存入一个元素都要进行装箱操作,每读取一个元素又要进行拆箱操作。统一数据类型就可以省略装箱和拆箱的步骤了,这样能提高存储和读取的效率。

V8引擎下数组的实现

写在前面

首先,我们要了解JS代码是如何在计算机上被执行的。和Python一样,它作为一门解释型语言,需要宿主环境去对它进行“转换”,然后再由机器运行机器码,也就是二进制。我们平时对JS的讨论很多都是(默认)基于浏览器来讲的,当前大多主流浏览器底层都是基于C++开发的,并且Node底层也是基于Chrome V8引擎的JS运行环境,而V8底层也是基于C++来开发的。所以会有开发者以为JavaScript是用C++写的,这是不对的。

作为一门解释型语言,JS并非只有C++才能去解析JS,其实还有:

  • D:DMDScript
  • Java:Rhino、Nashorn、DynJS、Truffle/JS 等
  • C#:Managed JScript、SPUR 等等

还有最近热度不减的Rust:deno(也是基于V8)。所以,我们要来研究JS中数组的实现就要依赖“解释”他的JS引擎来讲了。鉴于此,本文用V8引擎来进行讲解有关JS中的数组。

V8源码中的JS数组

为了追踪JS到底是如何实现数组的,我们追踪到V8中看看它是如何去“解析”JS数组的。下面截图来自V8源码:

可以看到上面截图1中可以得到两个信息(V8源码注释写的还是比较详细的):

  • 1、JSArray数组继承于JSObject对象
  • 2、数组有快慢两种模式

下面我们来具体讲讲。

JS数组就是“对象”

如果说JS中的数组底层是一个对象,那么我们就可以解释为什么JS中数组可以放各种类型了。假设我们猜测是对的,那么如何来验证这一点呢?为此最近花了点时间探索了一番,在网上看了很多资料,也找了很多方法,最终锁定使用通过观察JS最终执行生产的字节码来看最终代码的转换。最后选用了GoogleChromeLabs的jsvu,他可以帮我们安装各种JS引擎,也可以将JS转为字节码。

测试代码:

const arr = [1, true, 'foo'];
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然后使用V8-debug引擎去debug打印他转译的字节码,如下图所示:

那么这就可以得出结论,其实arr就是一个map,它有key,有value,而key就是数组的索引,value就是数组中的元素。

快数组和慢数组

细心的同学可能发现了,前面截图的V8源码注释中有这样一段描述:

Such an array can be in one of two modes:
- fast, backing storage is a FixedArray and length <= elements.length();
- slow, backing storage is a HashTable with numbers as keys.
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翻译一下,一个数组含有两种模式:

  • 快(模式):后备存储是一个FixedArray,长度 <= elements.length
  • 慢(模式):后备存储是一个以数字为键的HashTable

那么来思考下为什么要V8要将数组这样“设计”,动机是什么?无非就是为了提升性能,一说到性能,就不得不提内存,总之这一切无非就是:

牺牲性能节省内存,牺牲内存提高性能

这是时间换空间,空间换时间的博弈,最后看到底哪个“划算”(合理)。

快数组

先看快数组,快数组是一种线性存储,其长度是可变的,可以动态调整存储空间。其内部有扩容和收缩机制,来看一下V8中扩容的实现。 源码(C++):

./src/objects/js-objects.h

拓容时计算新容量是根据基于旧的容量来的:

新容量 = 旧容量 + 50% + 16

因为JS数组是动态可变的,所以这样安排的固定空间势必会造成内存空间的损耗。 然后扩容后会将数组拷贝到新的内存空间:

收缩的实现源码(C++):

它的判断依据是:当前容量是否大于等于当前数组长度的2倍+16,此外的都填入Holes(空洞)对象。什么是Holes,简单理解就是数组分配了空间但没有存入元素,这里不展开。快数组就是空间换时间来提升JS数组在性能上的缺陷,也可以说这是参照编译型语言的设计的一种“数组”。

一句话总结:V8用快数组来实现内存空间的连续(增加内存来提升性能),但由于JS是弱类型语言,空间无法固定,所以使用数组的length来作为依据,在底层进行内存的重新分配。

慢数组

慢数组底层实现使用的是 HashTable 哈希表,相比于快数组,他不用开辟大块的连续空间,从而节省内存,但无疑执行效率是比快数组要低的(时间换空间)。相关代码(C++):

快慢数组之间的转换

JS中长度不固定,类型不固定,所以我们在适合的适合会做相应的转换,以期望它能以最适合当前数组的方式去提升性能。对应源码:

上面截图代码中,返回true就表示应该快数组转慢数组。第一个红框表示3*扩容后容量*2 <= 新容量这个对象就改为慢数组。kPreferFastElementsSizeFactor 源码中声明如下:

  // 此处注释翻译:相比于快(模式)元素,如果字典元素能节省非常多的内存空间,那JSObjects更倾向于字典`dictionary`。
  static const uint32_t kPreferFastElementsSizeFactor = 3;
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第二个红框表示索引-当前容量 >= 1024(kMaxGap的值)时,也会从快数组转为慢数组。其中 kMaxGap 是一个用于控制快慢数组转换的试探性常量,源码中声明如下:

// 此处注释翻译:kMaxGap 是“试探法”常量,用于控制快慢数组的转换
  static const uint32_t kMaxGap = 1024;
复制代码

也就是说当前数组在重新赋值要远超其所需的容量+1024的时候,就会造成内从的浪费,于是改为慢数组。我们来验证下:

示例代码一:

let arr = [1];
复制代码

%DebugPrint(arr) 后截图如下:

然后将arr数组重新赋值:

arr[1024] = 2;
复制代码

%DebugPrint(arr) 后截图如下:

ok,验证成功。接下来我们来看如何从慢数组到快数组。

从上面源码注释可以知道,快数组到慢数组的条件就是: 快数组节省仅为50%的空间时,就采用慢数组(Dictionary)。 我们继续来验证:

let arr = [1];
arr[1025] = 1;
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上面代码声明的数组使用的是慢数组(Dictionary),截图如下

接下来让索引从500开始填充数字1,让其满足快数组节省空间小于50%:

for(let i=500;i<1024;i++){
    arr[i]=1;
}
复制代码

得到结果如下:

最终我们得到结果,让arr数组从慢数组(Dictionary)转为了快数组(HOLEY_SMI_ELEMENTS就是Fast Holey Elements)。 以上就是快慢数组的相互转换,核心还是本着合理用内存来决定到底用哪种数组。

new ArrayBuffer

讲了真么多,无非就是在说JS中由于语言“特色”而在数组的实现上有一些性能问题,那么为了解决这个问题V8引擎中引入了连续数组的概念,这是在JS代码转译层做的优化,那么还有其他方式吗?

当然有,那就是ES6中ArrayBufferArrayBuffer 对象用来表示通用的、固定长度的原始二进制数据缓冲区,它是一个字节数组。使用ArrayBuffer能在操作系统内存中得到一块连续的二进制区域。然后这块区域供JS去使用。

// create an ArrayBuffer with a size in bytes
const buffer = new ArrayBuffer(8); // 入参8为length

console.log(buffer.byteLength);
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但需要注意的是ArrayBuffer本身不具备操作字节能力,需要通过视图去操作。比如:

let buffer = new ArrayBuffer(3);
let view = new DataView(buffer);
view.setInt8(0, 8)
复制代码

更多细节本文不再展开,请读者自行探索。

完结。