数组是前端开发者最常用的数据结构了,我们在项目中无时不刻在操作着数组,例如将列表组件的数据储存在数组里、将需要渲染成条形图的数据同样储存在一个数组里,虽然我们经常使用数组,但是很多人并不了解JavaScript数组的本质。
本节我们将从JavaScript数组的使用、内存模型两大部分进行讲解,希望通过这个小节,让大家对JavaScript的数组有更深的认识。
在正是开始这节之前,请大家思考一个问题,JavaScript的数组有什么特殊之处?
数组的使用
数组是我们最常用的数据结构,很多基于数组的操作大家也足够熟悉了,我们不会在这里罗列数组的API,因为MDN数组这一部分足够权威也足够全面,我们会简单介绍下重点的数组方法,为接下来的内容做铺垫。
数组的创建与初始化
如果你之前学过其它语言类似于c++/java等,你可能会用一下方法创建并初始化一个数组:
const appleMac = new Array('Mac Book Air', 'iMac', 'Mac Book Pro', 'Mac pro')
当然这在JavaScript中是可以的,但并不主流方法,通常人们创建并初始化数组用的是字面量的方式:
const appleMac = ['Mac Book Air', 'iMac', 'Mac Book Pro', 'Mac pro']
在es6中引入了两个新方法,同样可以创建数组:
- Array.of() 返回由所有参数组成的数组,不考虑参数的数量或类型,如果没有参数就返回一个空数组
- Array.from()从一个类数组或可迭代对象中创建一个新的数组
这两个方法分别解决了两个问题,Array.of()
解决了构造函数方法创建数组时单个数字引起了怪异行为。
const a = new Array(3); // (3) [empty × 3] 构造函数方法单个数组会被用于数组长度
const b = Array.of(3); // [3]
Array.from()
解决了『类数组』的转化问题,之前我们将类数组转化为数组的方法普遍用的是Array.prototype.slice.call(arguments)
这种偏Hack的方法,Array.from()
的出现将其规范化,在以后的转化中我们最好按照标准的Array.from()
方法进行转化。
数组的操作
数组的操作有数十种之多,我们不可能一一讲到,具体使用也可以看MDN,我们只讲两个对本节比较重要的api。
向头部插入元素
unshift操作是最常见的向数组头部添加元素的操作
const arr = [1, 2, 3]
arr.unshift(0) // arr = [0, 1, 2, 3,]
向尾部插入元素
push操作是最常见的向数组尾部添加元素的操作
const arr = [1, 2, 3]
arr.push(4) // arr = [1, 2, 3, 4]
内存模型
编程语言的内存通常要经历三个阶段
- 分配内存
- 对内存进行读、写
- 释放内存(垃圾回收)
数组的创建对应着第一阶段,数组的操作对应着第二阶段。
因此,现在有一个问题,我们分别用push和unshift往数组的尾部和头部添加元素,谁的速度更快?
连续内存
如果你比较了解相关数据结构内存的话应该会知道,数组是会被分配一段连续的内存,如图:
那么当我们向这个数组最后push
元素6的时候,只需要将后面的一块内存分配给6即可。
而unshift则不同,因为是向数组头部添加元素,数组为了保证连续性,头部之后的元素需要依次向后移动。
unshift的本质类似于下面的代码:
for (var i=numbers.length; i>=0; i--){
numbers[i] = numbers[i-1];
}
numbers[0] = -1;
由于unshift出发了所有元素内存后移,导致性能远比push要差。
我在node10.x版本下作了一个实验:
function unshiftFn() {
const a = []
console.time('unshift')
for (var i=0;i<100000;i++) {
a.unshift(1);
}
console.timeEnd('unshift')
}
function pushFn() {
const a = []
console.time('push')
for (var i=0;i<100000;i++) {
a.push(1);
}
console.timeEnd('push')
}
unshiftFn() // unshift: 2297.383ms
pushFn() // push: 3.760ms
我们看见两者的速度差了非常多,而且如果你不断调整for循环的次数,会发现当次数越多的时候,unshift操作就越慢,因为需要往后移的元素也就越多。
而造成这个差异的正是因为数组是被储存为一块连续内存导致的,这就造成了数组的『插入』『删除』的性能都很差,因为我们一旦删除或者插入元素,其他元素为了保持一块连续的内存都不得不产生大量元素位移,这是性能的杀手。
非连续内存
我们开头就有一个问题:JavaScript的数组有什么特殊之处?
当然我们会说很多JavaScript的特殊之处,什么支持字面量声明创建,支持储存不同类型数据、动态性等等。
而本质上JavaScript数组的特殊之处在于JavaScript的数组不一定是连续内存。
而维基百科关于数组的定义:
在计算机科学中,数组数据结构(英语:array data structure),简称数组(英语:Array),是由相同类型的元素(element)的集合所组成的数据结构,分配一块连续的内存来存储。
如果是这样的话,JavaScript的数组似乎并不是严格意义上的数组,那么为什么上一小节说数组是分配了连续内存呢?这不是自相矛盾了吗?
JavaScript的数组是否分配连续内存取决于数组成员的类型,如果统一是单一类型的数组那么会分配连续内存,如果数组内包括了各种各样的不同类型,那么则是非连续内存。
非连续内存的数组用的是类似哈希映射的方式存在,比如声明了一个数组,他被分配给了1001、2011、1088、1077四个非连续的内存地址,通过指针连接起来形成一个线性结构,那么当我们查询某元素的时候其实是需要遍历这个线性链表结构的,这十分消耗性能。
而线性储存的数组只需要遵循这个寻址公式,进行数学上的计算就可以找到对应元素的内存地址。
a[k]_address = base_address + k * type_size
我们做一个简单的实验,我们不断向数组插入元素,但对比的双方是非线性储存的数组和线性储存的同构数组:
const total = 1000000
function unshiftContinuity() {
const arr = new Array(total)
arr.push({name: 'xiaomuzhu'});
console.time('unshiftContinuity')
for(let i=0;i<total; i++){
arr[i]=i
}
console.timeEnd('unshiftContinuity')
}
function unshiftUncontinuity() {
const arr = new Array(total)
console.time('unshiftUncontinuity')
for (let i=0;i<total;i++) {
arr[i]=i
}
console.timeEnd('unshiftUncontinuity')
}
unshiftContinuity() // unshiftContinuity: 71.050ms
unshiftUncontinuity() // unshiftUncontinuity: 1.691ms
我们看到,非线性储存的数组其速度比线性储存的数组要慢得多。
由于作者并没有阅读过JavaScript引擎的源码,所以这并不是一手资料,如果有错误非常欢迎指出来,我会及时更正。
参考:
How are JavaScript arrays represented in physical memory?