从V8引擎来看JS中这个"假数组"

前言

数组是我们前端日常开发中最熟悉的一种数据类型，但你真的了解数组吗？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，这也是它的特征！好，重点来了：

那我怎么及得JS中的数组元素可以是各种类型？？？比如下面这样：

let arr = [100, 'foo', 1.1, {a: 1}];

这就有意思了，按理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，我们姑且推断出一个结论，因为：不同数据类型存储所需空间大小不同。
所以：用来存放数组的内存地址一定是连续的（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，如标题所说的，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];

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，要知道这是不对的。

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JS引擎来讲了。本文我们用V8引擎来进行讲解。

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'];

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.

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;

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;

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];

%DebugPrint(arr) 后截图如下：

然后将arr数组重新赋值:

arr[1024] = 2;

%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;

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;
}

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）

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ArrayBuffer。ArrayBuffer 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);

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)

更多细节本文不再展开，请读者自行探索。

完结。