V8中的快慢數組（附源碼、圖文更易理解😃）
接上一篇掘金 V8 中的快慢屬性，本篇分析V8 中的快慢數組，了解數組全填充還是帶孔、快慢數組、快慢轉化、動態擴縮容等等。其實很多語言底層都採用類似的處理方式，比如：Golang中切片的append操作就涉及擴容處理。
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1、全填充 or 帶孔
通過一個小李子，看一下什麼是全填充數組(Paked-Array)，什麼是帶孔數組(Holey-Array)
前面還寫了稀疏數組，稀疏數組更加具有業務應用性，清洗的是無意義的數據，可以對比帶孔數組來分析一下，有興趣請看掘金👉 稀疏數組——實現五子棋存檔和續上盤功能
const o = ['a', 'b', 'c']
console.log(o[1]) // 'b'
delete o[1]
console.log(o[1]) // undefined
o.__proto__ = { 1: 'B' }
console.log(o[0]) // 'a'
console.log(o[1]) // 'B' 但如何確定要訪問原型鏈？？🤔
console.log(o[2]) // 'c'
console.log(o[3]) // undefined
如果一個數組中所有位置均有值，我們稱之為全填充（Packed）數組；
若某些位置在初始化時未定義（如 const arr = [1, , 3] 中的 arr[1]），或定義後被刪除（delete，如上述例子），稱之為帶孔（Holey）數組。
該例子在 V8 的訪問可以通過下圖解釋：
一開始數組 o 是 packed 的，所以訪問 o[1] 時可以直接獲取值，而不需要訪問原型。
而行 4：delete o[1] 為數組引入了一個孔洞（the_hole），用於標記不存在的屬性，同時又行 6 為 o 定義了原型上的 1 屬性，當再次獲取 o[1] 時會穿孔進而繼續往原型鏈上查詢。原型鏈上的查詢是昂貴的，可以根據是否有 the_hole 來降低這部分查詢開銷。
2、快慢數組
const arr = [1, 2, 3]
arr[1999] = 1999
// arr 會如何存儲？
這個例子中，在行 1 聲明完畢後 arr 是一個全填充的數組，但在行 2 馬上又定義索引 1999 處值為 1999，此時如果為 arr 創建一個長度為 2000 的完整數組來存儲這樣的稀疏數據將會非常佔用記憶體，為了應對這種情況，V8 會將數組降級為慢數組，創建一個字典來存儲「鍵、值、描述符」（key、value、descriptor） 三元組。這就是 Object.defineProperty(object, key, descriptor) API 同樣會做的事情。
鑒於我們沒有辦法在 JavaScript 的 API 層面讓 V8 找到 HiddenClass 並存儲對應的 descriptor 資訊，所以當使用
Object.defineProperty自定義 key、value、descriptor 時，V8 都會使用慢屬性，對應到數組中就是慢數組。
Object.defineProperty是 Vue 2 的核心 API，當對象或數組很龐大時，不可避免地導致訪問速度下降，這是底層原理決定的。
那究竟什麼是快數組和慢數組呢？我們看下V8底層對於數組的定義：👉 源程式碼：v8/src/objects/js-array.h
-
快模式：數組實現的是 V8 里一個叫
FixedArray的類，它在記憶體中是連續的空間，直接通過索引讀寫值，非常快。如果有 push 或 pop 操作，它會動態地擴容或收縮。 -
慢模式：如前文所介紹，V8 創建了一個字典（
HashTable）來記錄映射關係，其中索引的整數值即是字典的鍵。
為什麼數組也是對象類型的？
在 V8 源碼中清晰地表明，JSArray 繼承自 JSObject，即數組是一個特殊的對象，而 JS 中所有非原始類型都是對象的實例，所以 JS 中數組可以存儲多種類型的值。
數組內部也是用key-value的存儲形式
const testArr = [1, "hello", true, function () {
return 1;
}];
2.1、快數組何時轉換為慢數組
(1)、看一下源碼先👇
-
path:v8/src/objects/js-objects-inl.h
快慢模式轉化：
ShouldConvertToSlowElements
// path:v8/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;
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;
}
if (index - capacity >= JSObject::kMaxGap) return true;
*new_capacity = JSObject::NewElementsCapacity(index + 1);
DCHECK_LT(index, *new_capacity);
if (*new_capacity <= JSObject::kMaxUncheckedOldFastElementsLength ||
(*new_capacity <= JSObject::kMaxUncheckedFastElementsLength &&
ObjectInYoungGeneration(object))) {
return false;
}
return ShouldConvertToSlowElements(object.GetFastElementsUsage(),
*new_capacity);
}
(2)、分析
-
如果快數組擴容後的容量是原來的 3 倍以上，意味著它比
HashTable形式存儲佔用更大的記憶體，快數組會轉換為慢數組 -
如果快數組新增的索引與原來最大索引的差值大於 1024，快數組會被轉換會慢數組
所以，前面的例子：
const arr = [1, 2, 3];
arr[1999] = 1999;
%DebugPrint(arr);
1999 - 2 > 1024，arr 從快數組轉換為哈希形式存儲的慢數組。
下面看一下詳細運行資訊👇
- 修改arr之前:
- 修改arr之後：
2.2、慢數組何時轉換為快數組
(1)、看一下源碼先👇
- path:v8/src/objects/js-objects.cc
// path:v8/src/objects/js-objects.cc
// line:4932
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 = std::max(index + 1, *new_capacity);
uint32_t dictionary_size = static_cast<uint32_t>(dictionary.Capacity()) *
NumberDictionary::kEntrySize;
// 看這裡👇， 當慢數組轉換成快數組能節省 不少於 50% 的空間時，才會將其轉換
// Turn fast if the dictionary only saves 50% space.
return 2 * dictionary_size >= *new_capacity;
}
(2)、分析
元素能存放在快數組中並且長度不在smi之間（64位-231到232-1），並且當前慢數組空間相比快數組節省值小於等於50%，則轉變成為快數組。
快慢轉換總結
-
快數組就是以空間換時間的方式，申請了大塊連續記憶體，提高了執行效率。
-
慢數組以時間換空間，不必申請連續的空間，節省了記憶體，但需要付出效率變差的代價。
3、動態擴容與收縮
3.1、擴容
看下源碼👇
-
path:v8/src/objects/js-array.h
空數組預分配的大小: 4
// path:v8/src/objects/js-array.h
// Dispatched behavior.
DECL_PRINTER(JSArray)
DECL_VERIFIER(JSArray)
// Number of element slots to pre-allocate for an empty array.
// 空數組預分配的大小為4
static const int kPreallocatedArrayElements = 4;
static const int kLengthDescriptorIndex = 0;
上面程式碼表明，當聲明一個空數組時，已預分配好 4 個位元組的存儲空間。
所以 [] 與 [1, 2, 3, 4] 佔用一樣多的記憶體。 前面說過，JSArray 繼承自 JSObject，我們可以在 js-objects.h 中找到如下程式碼：
-
path:v8/src/objects/js-objects.h
擴容公式
// path:v8/src/objects/js-objects.h
// line:551👇
static const uint32_t kMinAddedElementsCapacity = 16;
// Computes the new capacity when expanding the elements of a JSObject.
static uint32_t NewElementsCapacity(uint32_t old_capacity) {
// (old_capacity + 50%) + kMinAddedElementsCapacity
// 擴容公式:原有記憶體容量（1.5倍）+ 16
return old_capacity + (old_capacity >> 1) + kMinAddedElementsCapacity;
}
這是對 JSObject elements 擴容和對 JSArray 擴容的通用方法。擴容後容量的計算邏輯是：在原佔用空間 old_capacity 的基礎上增加一半（old_capacity >> 1 右移 1 位表示除 2，再相加得原空間 1.5 倍），再加上 16。
舉例：
const arr = [1, 2, 3, 4];
arr.push(5);
%DebugPrint(arr);
-
arr.push 之前：
-
arr.push 後：
具體分析如下：
👇
-
向數組 [1, 2, 3, 4] push 5 時，首先判斷到當前容量已滿，需要計算新容量。
-
old_capacity = 4，new_capacity = 4 + 4 >> 1 + 16 = 22，得出 [1, 2, 3, 4, 5] 的容量為 22 個位元組，
-
V8 向作業系統申請一塊連續大小為 22 位元組的記憶體空間，隨後將老數據一一 copy，再新將新增元素寫入。
3.2 縮容
緊接著，我們在 src/objects/elements.cc 中找到 SetLengthImpl 方法中的如下程式碼：
// path:src/objects/elements.cc
// line:750
if (2 * length + JSObject::kMinAddedElementsCapacity <= capacity) {
// If more than half the elements won't be used, trim the array.
// Do not trim from short arrays to prevent frequent trimming on
// repeated pop operations.
// Leave some space to allow for subsequent push operations.
int elements_to_trim = length + 1 == old_length
? (capacity - length) / 2
: capacity - length;
isolate->heap()->RightTrimFixedArray(*backing_store, elements_to_trim);
// Fill the non-trimmed elements with holes.
BackingStore::cast(*backing_store)
.FillWithHoles(length,
std::min(old_length, capacity - elements_to_trim));
} else {
// Otherwise, fill the unused tail with holes.
BackingStore::cast(*backing_store).FillWithHoles(length, old_length);
}
當數組元素減少（如 pop）後，如果數組容量大於等於 length 的 2 倍，則進行容量調整，使用 RightTrimFixedArray 函數，計算出需要釋放的空間大小，做好標記，等待 GC 回收；如果數組容量小於 length 的 2 倍，則用 holes 對象填充。
總結：
-
數組元素少的時候是線性結構存儲（FixedArray）的，記憶體地址連續，查找速度快，可以動態擴縮容；
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數組元素多的時候轉化為慢數組，通過創建了一個字典來記錄映射關係，記憶體不連續，通過大名鼎鼎的Object.defineProperty(object, key, descriptor)創建
js的數組看似不同，其實只是V8 在底層實現上做了一層封裝，使用兩種數據結構實現數組，並且通過時間和空間2個緯度的取捨，優化了數組的性能。
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