V8中的快慢属性(图文分解更易理解😃)

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V8中的快慢属性(图文分解更易理解😃)

出于好奇:js中使用json存数据查找速度快,还是使用数组存数据查找快?

探究V8中对象的实现原理,熟悉数组索引属性、命名属性、对象内属性、隐藏类、描述符数组、快慢属性等等。

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对象属性

我们先来看一个例子。假设我们有这样的代码:

function testV8() {
  this[100] = 'test-100'
  this[1] = 'test-1'
  this["D"] = 'foo-D' // 字符串key
  this["B"] = 'foo-B'
  this[50] = 'test-50'
  this[9] = 'test-9'
  this[8] = 'test-8'
  this[3] = 'test-3'
  this[5] = 'test-5'
  this["4"] = 'test-4' // 整型key
  this["A"] = 'foo-A'
  this["C"] = 'foo-C'
  this[4.5] = "foo-4.5" // 非整型key
}

const testObj = new testV8()

for (const key in testObj) {
  console.log(`key:${key}, value:${testObj[key]}`)
}
复制代码

运行输出结果如下:

image.png

输出结果分析:

多次运行代码,发现输出key-value的顺序是一致的,并不存在随机性。

再经测试并仔细观察发现有如下结论:👇👇

  1. 对于整数型的 key 值,会从小到大遍历(按数值升序)

  2. 对于非整数型的 key 值,会按照设置的先后顺序遍历

根据这一个现象,我们就要探究下,在V8引擎中,对象属性内部的设计思想。

在 V8 内部,为了有效地提升存储和访问这两种属性的性能,分别使用了两个线性数据结构来分别保存两种属性。

这两个结论在V8中也被证实,前后者分别被称为 数组索引属性(Array-indexed Properties)和 命名属性(Named Properties),遍历时一般会先遍历数组索引属性。前后两者在底层存储在两个单独的数据结构中,分别用 properties 和 elements 两个指针指向它们,如下图👇

image.png

image.png

如果在数组索引属性(排序属性)和命名属性(常规属性)同时存在的情况下,优先按数组属性排序,上面的例子中将字符串形式的整型key:"4"转换成了数字整型,而浮点数"4.5"转换成了字符串,V8 会先从 elements 属性中按照顺序读取所有的元素,然后再在 properties 属性中读取所有的元素,这样就完成一次索引操作。我们通过chrome调试工具snapshot来佐证下:

image.png

发现并没有 properties 属性?实际上,V8 有一种策略:如果命名属性少于等于 10 个时,命名属性会直接存储到对象本身,而无需先通过 properties 指针查询,再获取对应 key 的值,省去中间的一步,从而提升了查找属性的效率。直接存储到对象本身的属性被称为 对象内属性In-object Properties)。对象内属性与 properties、elements 处于同一层级。

插话:chrome调试工具snapshot使用

  1. 打开控制台

  2. 点击 Memory , 可以看到 Profiles

  3. 点击下方 Take snapshot 按钮

  4. 过滤 testV8, 查看信息

如下图👇 image.png

对象内属性(In-object Properties)

当采用两种线性结构存储后,在查询属性的时候,就会明显多出了一个步骤,要先去查询到Properties对应的对象(多了一次寻址的过程),再从Properties对象中查到对应的某个key的值。

V8 有一种策略:如果命名属性少于等于 10 个时,命名属性会直接存储到对象本身,而无需先通过 properties 指针查询,再获取对应 key 的值,省去中间的一步,从而提升了查找属性的效率。直接存储到对象本身的属性被称为 对象内属性In-object Properties)。对象内属性与 properties、elements 处于同一层级。

为了印证这个说法,将代码替换为如下内容,重新打 snapshot。可以看到超出 10 个的部分 property10 和 property11 存储在 properties 中,这部分命名属性称为普通属性

function Foo(properties, elements) {
  //添加可索引属性
  for (let i = 0; i < elements; i++) {
    this[i] = `element${i}`
  }

  //添加常规属性
  for (let i = 0; i < properties; i++) {
    const prop = `property${i}`
    this[prop] = prop
  }
}
const foo = new Foo(12, 12)
复制代码

9f2036bec3675026788fc4d3ecedd6d.png

至此,我们已经对命名属性、数组索引属性与对象内属性有一个基本了解。

对象内属性 or 普通属性

对象内属性是指那些直接存存储在对象上的命名属性(10个),超出对象内属性数量限制的属性被存放与 properties 指针指向的数据结构中,这部分虽然增加了一层查询,但扩容非常方便

👉注意:下图中,先不用管HiddenClass,后面会讲,暂且把它看成一个“指针”吧

image.png

接着看什么是HiddenClass👇隐藏类(Hidden Class)

隐藏类(Hidden Class)

静态语言中,当创建类型后,就不能再次改变了,属性可以通过固定的偏移量来访问,但在js中却不是,对象的属性的类型、值等信息是可以随时改变的,也就是说运行的时候才能拿到最后的属性内存偏移量,V8为了提升对象的属性获取性能,设计了Hidden Class 隐藏类的概念,每一个对象都有对应的隐藏类,当每次对象的属性发生改变时,V8会动态更新对应的内存偏移量更新到隐藏类中。

  • 每个对象都拥有自己的隐藏类:上面例子中对应的map属性就是隐藏类对象

  • 隐藏类中记录了对象中每个属性的标识信息(descriptors),它保存了属性key以及描述符数组的指针。描述符数组包含了有关命名属性的信息,例如名称本身以及值保存的位置,但只会存命名属性相关的,不会保存整数类的属性

image.png

  • 当对象创建一个新属性,或者一个老属性被删除时,V8会创建一个新的隐藏类并通过back_pointer指针指向老的隐藏类,新的隐藏类中只记录进行了变更的属性信息,随后对象指向隐藏类的指针会指向新的隐藏类。
const testobj1 = new Foo(2, 3);
const testobj2 = new Foo(2, 3);
testobj2.new = "new";
复制代码

image.png

隐藏类和描述符数组

在 V8 中,每个 JavaScript 对象的第一个字段都指向一个隐藏类(HiddenClass)。隐藏类是用来描述和便于跟踪 JavaScript 对象的「形状」的,里面存储了对象的元信息如:对象的属性数量、对象原型的引用等等。多个具有相同结构(即命名属性和顺序均相同)的对象共享相同的隐藏类因此,动态地为对象增加属性的过程中隐藏类会被更改。

我们先看看隐藏类的结构:

image.png

对于隐藏类来说最重要的是第三位字段(bit field 3),记录了命名属性的数量和一个指向描述符数组(Descriptor Array)的指针,描述符数组中存储了命名属性的相关信息,因此当 V8 需要获取命名属性的具体信息时,需要先通过 hiddenClass 指针找到对应的 HiddenClass,获取 HiddenClass 第三位字段中记录的描述符数组指针,然后在数组中查询特定的命名属性(修改的时候也是一样的过程,划重点!!)。数组索引属性是不会被记录在该数组的,因为他们不会让 V8 更改隐藏类。

image.png

以上图为例,当我们创建一个空对象 o 并依次为其增加 a、b、c 三个命名属性时,object o 中的 hiddenClass 会经历以下阶段:

  • 增加 a 属性,生成过渡 HiddenClass 1

  • 增加 b 属性,生成过渡 HiddenClass 2

  • 增加 c 属性,生成过渡 HiddenClass 3

  • 属性添加完成,此时 object o 的 hiddeClass 指针指向 HiddenClass 3

这三个过渡的 HiddenClasses 会被 V8 连接起来,生成一个叫过渡树transition tree)的结构,从而让 V8 可以追踪 HiddenClasses 之间的关系,并保证相同结构的对象经过相同顺序的命名属性增加操作后,具有相同的 HiddenClass。

如果相同结构的对象增加不同的命名属性,V8 会为在过渡树中开出新的分支,以标识原本相同的 hiddenClass 增加不同命名属性后派生出的不同 Class:

image.png

总结

  • 相同结构(命名属性和顺序均相同)的对象共享相同的 HiddenClass

  • 新属性的添加伴随着新 HiddenClass 的创建

  • 数组索引索性不会改变 HiddenClass

快属性 or 慢属性

线性数据结构的读取速度更快(读取复杂度为 O(1)),因此将存储在线性结构中的命名属性称为快属性。快属性只通过 properties 中的索引访问,但是如前文所述,为了从属性名访问到实际存储位置,V8 必须参考 HiddenClass 上的 Descriptor Array,因为里面存储了关于命名属性的元信息。

image.png

因此,倘若一个对象频繁地增删属性,而 V8 还维持原来的线性结构存储的话,插入和删除的复杂度都为 O(n),同时耗费大量的时间、内存在维护 HiddenClass 和 Descriptor Array 上。

为了减少这部分开销,V8 将这些本来会存储在线性结构中的快属性降级为慢属性。此时原本用于存储属性元信息的 Descriptor Array 被置空,转而将信息存储到 properties 内部维护的一个字典(称为 Properties Dictionary)中,这样对对象的增删属性操作便不需更新 HiddenClass 了。但这也意味着 V8 内部的内联缓存inline-cache)不会生效,所以这种属性被称为慢属性。

快属性

保存在线性数据结构中的属性,通过索引就可以访问到对应的属性值

const testobj = new Foo(10, 10);

%DebugPrint(testobj); 
复制代码

如图👇

image.png

慢属性

属性过多的时候,V8会采用"慢属性"的处理,属性的对象内部会有独立的非线性数据结构(字典)

const testobj = new Foo(100, 200);

%DebugPrint(testobj); 
复制代码

如图👇

image.png

总结:

  • 当属性数量不是特别多的情况下,Properties的索引是有序的(快属性)

  • 当属性数量特别多的时候,就会变成无序的字典类型的存储(慢属性)。

最后

这篇文章难产了,由于工作较忙,用碎片时间在学习,大概三四天前我就着手写了,今天才算发出来。 加油🎉🎉

本来想着把快慢数组一块分析了,留在下一篇吧,谢谢😊

下一篇: V8 中的快慢数组(附源码、图文更易理解😃)

参考文档: z3rog.tech/blog/2020/f…


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