V8中的快慢数组(附源码、图文更易理解😃)

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V8中的快慢数组(附源码、图文更易理解😃)

接上一篇 V8 中的快慢属性,本篇分析V8 中的快慢数组,了解数组全填充还是带孔、快慢数组、快慢转化、动态扩缩容等等。其实很多语言底层都采用类似的处理方式,比如:Golang中切片的append操作就涉及扩容处理。

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1、全填充 or 带孔

通过一个小李子,看一下什么是全填充数组(Paked-Array),什么是带孔数组(Holey-Array)

前面还写了稀疏数组,稀疏数组更加具有业务应用性,清洗的是无意义的数据,可以对比带孔数组来分析一下,有兴趣请看👉 稀疏数组——实现五子棋存盘和续上盘功能

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'   但如何确定要访问原型链??🤔
console.log(o[2])          // 'c'
console.log(o[3])          // undefined
复制代码

如果一个数组中所有位置均有值,我们称之为全填充Packed)数组;

若某些位置在初始化时未定义(如 const arr = [1, , 3] 中的 arr[1]),或定义后被删除(delete,如上述例子),称之为带孔Holey)数组。

该例子在 V8 的访问可以通过下图解释:

image.png

一开始数组 o 是 packed 的,所以访问 o[1] 时可以直接获取值,而不需要访问原型。

而行 4:delete o[1] 为数组引入了一个孔洞(the_hole),用于标记不存在的属性,同时又行 6 为 o 定义了原型上的 1 属性,当再次获取 o[1] 时会穿孔进而继续往原型链上查询。原型链上的查询是昂贵的,可以根据是否有 the_hole 来降低这部分查询开销

image.png

2、快慢数组

const arr = [1, 2, 3]
arr[1999] = 1999
// arr 会如何存储?
复制代码

这个例子中,在行 1 声明完毕后 arr 是一个全填充的数组,但在行 2 马上又定义索引 1999 处值为 1999,此时如果为 arr 创建一个长度为 2000 的完整数组来存储这样的稀疏数据将会非常占用内存,为了应对这种情况,V8 会将数组降级为慢数组,创建一个字典来存储「键、值、描述符」key、value、descriptor) 三元组。这就是 Object.defineProperty(object, key, descriptor) API 同样会做的事情。

  1. 鉴于我们没有办法在 JavaScript 的 API 层面让 V8 找到 HiddenClass 并存储对应的 descriptor 信息,所以当使用 Object.defineProperty 自定义 key、value、descriptor 时,V8 都会使用慢属性,对应到数组中就是慢数组。

  2. Object.defineProperty 是 Vue 2 的核心 API,当对象或数组很庞大时,不可避免地导致访问速度下降,这是底层原理决定的。

那究竟什么是快数组和慢数组呢?我们看下V8底层对于数组的定义:👉 源代码:v8/src/objects/js-array.h

image.png

  • 快模式:数组实现的是 V8 里一个叫 FixedArray 的类,它在内存中是连续的空间,直接通过索引读写值,非常快。如果有 push 或 pop 操作,它会动态地扩容或收缩。

  • 慢模式:如前文所介绍,V8 创建了一个字典(HashTable)来记录映射关系,其中索引的整数值即是字典的键。

为什么数组也是对象类型的?

在 V8 源码中清晰地表明,JSArray 继承自 JSObject,即数组是一个特殊的对象,而 JS 中所有非原始类型都是对象的实例,所以 JS 中数组可以存储多种类型的值。

数组内部也是用key-value的存储形式

const testArr = [1, "hello", true, function () {
  return 1;
}];
复制代码

image.png

2.1、快数组何时转换为慢数组

(1)、看一下源码先👇

  1. path:v8/src/objects/js-objects-inl.h

    快慢模式转化: 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);
}
复制代码

(2)、分析

  • 如果快数组扩容后的容量是原来的 3 倍以上,意味着它比 HashTable 形式存储占用更大的内存,快数组会转换为慢数组

  • 如果快数组新增的索引与原来最大索引的差值大于 1024,快数组会被转换会慢数组

所以,前面的例子:

const arr = [1, 2, 3];
arr[1999] = 1999;
%DebugPrint(arr);
复制代码

1999 - 2 > 1024,arr 从快数组转换为哈希形式存储的慢数组。

下面看一下详细运行信息👇

  • 修改arr之前:

image.png

  • 修改arr之后: 9c1a1af43947b4da39b9c554d56c312.png

2.2、慢数组何时转换为快数组

(1)、看一下源码先👇

  1. 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;

  // 看这里👇, 当慢数组转换成快数组能节省 不少于 50% 的空间时,才会将其转换
  // Turn fast if the dictionary only saves 50% space.
  return 2 * dictionary_size >= *new_capacity;
}
复制代码

(2)、分析

元素能存放在快数组中并且长度不在smi之间(64位-2^31到2^32-1),并且当前慢数组空间相比快数组节省值小于等于50%,则转变成为快数组。

快慢转换总结

  • 快数组就是以空间换时间的方式,申请了大块连续内存,提高了执行效率。

  • 慢数组以时间换空间,不必申请连续的空间,节省了内存,但需要付出效率变差的代价。

3、动态扩容与收缩

3.1、扩容

看下源码👇

  1. path:v8/src/objects/js-array.h

    空数组预分配的大小: 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.
// 空数组预分配的大小为4
static const int kPreallocatedArrayElements = 4;

static const int kLengthDescriptorIndex = 0;
复制代码

上面代码表明,当声明一个空数组时,已预分配好 4 个字节的存储空间。

所以 [] 与 [1, 2, 3, 4] 占用一样多的内存。 前面说过,JSArray 继承自 JSObject,我们可以在 js-objects.h 中找到如下代码:

  1. path:v8/src/objects/js-objects.h

    扩容公式

// 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
  // 扩容公式:原有内存容量(1.5倍)+ 16
  return old_capacity + (old_capacity >> 1) + kMinAddedElementsCapacity;
}
复制代码

这是对 JSObject elements 扩容和对 JSArray 扩容的通用方法。扩容后容量的计算逻辑是:在原占用空间 old_capacity 的基础上增加一半(old_capacity >> 1 右移 1 位表示除 2,再相加得原空间 1.5 倍),再加上 16

举例:

const arr = [1, 2, 3, 4];
arr.push(5);
%DebugPrint(arr);
复制代码
  • arr.push 之前: image.png

  • arr.push 后:

image.png

具体分析如下: 👇

  1. 向数组 [1, 2, 3, 4] push 5 时,首先判断到当前容量已满,需要计算新容量。

  2. old_capacity = 4,new_capacity = 4 + 4 >> 1 + 16 = 22,得出 [1, 2, 3, 4, 5] 的容量为 22 个字节,

  3. V8 向操作系统申请一块连续大小为 22 字节的内存空间,随后将老数据一一 copy,再新将新增元素写入。

3.2 缩容

紧接着,我们在 src/objects/elements.cc 中找到 SetLengthImpl 方法中的如下代码:

// 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);
}
复制代码

当数组元素减少(如 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。

总结:

  1. 数组元素少的时候是线性结构存储(FixedArray)的,内存地址连续,查找速度快,可以动态扩缩容;

  2. 数组元素多的时候转化为慢数组,通过创建了一个字典来记录映射关系,内存不连续,通过大名鼎鼎的Object.defineProperty(object, key, descriptor)创建

js的数组看似不同,其实只是V8 在底层实现上做了一层封装,使用两种数据结构实现数组,并且通过时间和空间2个纬度的取舍,优化了数组的性能。

参考学习博客


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