精读《JS 数组的内部实现》

每个 JS 执行引擎都有自己的实现，我们这次关注 V8 引擎是如何实现数组的。

本周主要精读的文章是 How JavaScript Array Works Internally?，比较简略的介绍了 V8 引擎的数组实现机制，笔者也会参考部分其他文章与源码结合进行讲解。

概述

JS 数组的内部类型有很多模式，如：

• PACKED_SMI_ELEMENTS
• PACKED_DOUBLE_ELEMENTS
• PACKED_ELEMENTS
• HOLEY_SMI_ELEMENTS
• HOLEY_DOUBLE_ELEMENTS
• HOLEY_ELEMENTS

PACKED 翻译为打包，实际意思是 “连续有值的数组”；HOLEY 翻译为孔洞，表示这个数组有很多孔洞一样的无效项，实际意思是 “中间有孔洞的数组”，这两个名词是互斥的。

SMI 表示数据类型为 32 位整型，DOUBLE 表示浮点类型，而什么类型都不写，表示数组的类型还杂糅了字符串、函数等，这个位置上的描述也是互斥的。

所以可以这么去看数组的内部类型：[PACKED, HOLEY]_[SMI, DOUBLE, '']_ELEMENTS。

最高效的类型 PACKED_SMI_ELEMENTS

一个最简单的空数组类型默认为 PACKED_SMI_ELEMENTS：

const arr = [] // PACKED_SMI_ELEMENTS

PACKED_SMI_ELEMENTS 类型是性能最好的模式，存储的类型默认是连续的整型。当我们插入整型时，V8 会给数组自动扩容，此时类型还是 PACKED_SMI_ELEMENTS：

const arr = [] // PACKED_SMI_ELEMENTS
arr.push(1) // PACKED_SMI_ELEMENTS

或者直接创建有内容的数组，也是这个类型：

const arr = [1, 2, 3] // PACKED_SMI_ELEMENTS

自动降级

当我们对数组使用骚操作时，V8 会默默的进行类型降级。比如突然访问到第 100 项：

const arr = [1, 2, 3] // PACKED_SMI_ELEMENTS
arr[100] = 4 // HOLEY_SMI_ELEMENTS

如果突然插入一个浮点类型，会降级到 DOUBLE：

const arr = [1, 2, 3] // PACKED_SMI_ELEMENTS
arr.push(4.1) // PACKED_DOUBLE_ELEMENTS

当然如果两个骚操作一结合，HOLEY_DOUBLE_ELEMENTS 就成功被你造出来了：

const arr = [1, 2, 3] // PACKED_SMI_ELEMENTS
arr[100] = 4.1 // HOLEY_DOUBLE_ELEMENTS

再狠一点，插入个字符串或者函数，那就到了最最兜底类型，HOLEY_ELEMENTS：

const arr = [1, 2, 3] // PACKED_SMI_ELEMENTS
arr[100] = '4' // HOLEY_ELEMENTS

从是否有 Empty 情况来看，PACKED > HOLEY 的性能，Benchmark 测试结果大概快 23%。

从类型来看，SMI > DOUBLE > 空类型。原因是类型决定了数组每项的长度，DOUBLE 类型是指每一项可能为 SMI 也可能为 DOUBLE，而空类型的每一项类型完全不可确认，在长度确认上会花费额外开销。

因此，HOLEY_ELEMENTS 是性能最差的兜底类型。

降级的不可逆性

文中提到一个重点，表示降级是不可逆的，具体可以看下图：

<img width=500 src="https://s1.ax1x.com/2022/05/08/O3nzsf.png">

其实要表达的规律很简单，即 PACKED 只会变成更糟的 HOLEY，SMI 只会往更糟的 DOUBLE 和空类型变，且这两种变化都不可逆。

精读

为了验证文章的猜想，笔者使用 v8-debug 调试了一番。

使用 v8-debug 调试

先介绍一下 v8-debug，它是一个 v8 引擎调试工具，首先执行下面的命令行安装 jsvu：

npm i -g jsvu

然后执行 jsvu，根据引导选择自己的系统类型，第二步选择要安装的 js 引擎，选择 v8 和 v8-debug：

jsvu
// 选择 macos
// 选择 v8，v8-debug

然后随便创建一个 js 文件，比如 test.js，再通过 ~/.jsvu/v8-debug ./test.js 就可以执行调试了。默认是不输出任何调试内容的，我们根据需求添加参数来输出要调试的信息，比如：

~/.jsvu/v8-debug ./test.js --print-ast

这样就会把 test.js 文件的语法树打印出来。

使用 v8-debug 调试数组的内部实现

为了观察数组的内部实现，使用 console.log(arr) 显然不行，我们需要用 %DebugPrint(arr) 以 debug 模式打印数组，而这个 %DebugPrint 函数式 V8 提供的 Native API，在普通 js 脚本是不识别的，因此我们要在执行时添加参数 --allow-natives-syntax：

~/.jsvu/v8-debug ./test.js --allow-natives-syntax

同时，在 test.js 里使用 %DebugPrint 打印我们要调试的数组，如：

const arr = []
%DebugPrint(arr)

输出结果为：

DebugPrint: 0x120d000ca0b9: [JSArray]
 - map: 0x120d00283a71 <Map(PACKED_SMI_ELEMENTS)> [FastProperties]

也就是说，arr = [] 创建的数组的内部类型为 PACKED_SMI_ELEMENTS，符合预期。

验证不可逆转换

不看源码的话，姑且相信原文说的类型转换不可逆，那么我们做一个测试：

const arr = [1, 2, 3]
arr.push(4.1)

console.log(arr);
%DebugPrint(arr)

arr.pop()

console.log(arr);
%DebugPrint(arr)

打印核心结果为：

1,2,3,4.1
DebugPrint: 0xf91000ca195: [JSArray]
 - map: 0x0f9100283b11 <Map(PACKED_DOUBLE_ELEMENTS)> [FastProperties]

1,2,3
DebugPrint: 0xf91000ca195: [JSArray]
 - map: 0x0f9100283b11 <Map(PACKED_DOUBLE_ELEMENTS)> [FastProperties]

可以看到，即便 pop 后将原数组回退到完全整型的情况，DOUBLE 也不会优化为 SMI。

再看下长度的测试：

const arr = [1, 2, 3]
arr[4] = 4

console.log(arr);
%DebugPrint(arr)

arr.pop()
arr.pop()

console.log(arr);
%DebugPrint(arr)

打印核心结果为：

1,2,3,,4
DebugPrint: 0x338b000ca175: [JSArray]
 - map: 0x338b00283ae9 <Map(HOLEY_SMI_ELEMENTS)> [FastProperties]

1,2,3
DebugPrint: 0x338b000ca175: [JSArray]
 - map: 0x338b00283ae9 <Map(HOLEY_SMI_ELEMENTS)> [FastProperties]

也证明了 PACKED 到 HOLEY 的不可逆。

字典模式

数组还有一种内部实现是 Dictionary Elements，它用 HashTable 作为底层结构模拟数组的操作。

这种模式用于数组长度非常大的时候，不需要连续开辟内存空间，而是用一个个零散的内存空间通过一个 HashTable 寻址来处理数据的存储，这种模式在数据量大时节省了存储空间，但带来了额外的查询开销。

当对数组的赋值远大于当前数组大小时，V8 会考虑将数组转化为 Dictionary Elements 存储以节省存储空间。

做一个测试：

const arr = [1, 2, 3];
%DebugPrint(arr);

arr[3000] = 4;
%DebugPrint(arr);

主要输出结果为：

DebugPrint: 0x209d000ca115: [JSArray]
 - map: 0x209d00283a71 <Map(PACKED_SMI_ELEMENTS)> [FastProperties]

DebugPrint: 0x209d000ca115: [JSArray]
 - map: 0x209d00287d29 <Map(DICTIONARY_ELEMENTS)> [FastProperties]

可以看到，占用了太多空间会导致数组的内部实现切换为 DICTIONARY_ELEMENTS 模式。

实际上这两种模式是根据固定规则相互转化的，具体查了下 V8 源码：

字典模式在 V8 代码里叫 SlowElements，反之则叫 FastElements，所以要看转化规则，主要就看两个函数：ShouldConvertToSlowElements 和 ShouldConvertToFastElements。

下面是 ShouldConvertToSlowElements 代码，即什么时候转化为字典模式：

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);
}

ShouldConvertToSlowElements 函数被重载了两次，所以有两个判断逻辑。第一处 new_capacity > size_threshold 则变成字典模式，new_capacity 表示新尺寸，而 size_threshold 是根据 3 已有尺寸 2 计算出来的。

第二处 index - capacity >= JSObject::kMaxGap 时变成字典模式，其中 kMaxGap 是常量 1024，也就是新加入的 HOLEY(孔洞) 大于 1024，则转化为字典模式。

而由字典模式转化为普通模式的函数是 ShouldConvertToFastElements：

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;

  // Turn fast if the dictionary only saves 50% space.
  return 2 * dictionary_size >= *new_capacity;
}

重点是最后一行 return 2 * dictionary_size >= *new_capacity 表示字典模式仅节省了 50% 空间时，不如切换为普通模式（fast mode）。

具体就不测试了，感兴趣同学可以用上面介绍的方法使用 v8-debug 测试一下。

总结

JS 数组使用方法非常灵活，但 V8 使用 C++ 实现时，必须转化为更底层的类型，所以为了兼顾性能，就做了快慢模式，而快模式又分了 SMI、DOUBLE；PACKED、HOLEY 模式分别处理来尽可能提升速度。

也就是说，我们在随意创建数组的时候，V8 会分析数组的元素构成与长度变化，自动分发到各种不同的子模式处理，以最大化提升性能。

这种模式使 JS 开发者获得了更好的开发者体验，而实际上执行性能也和 C++ 原生优化相差无几，所以从这个角度来看，JS 是一种更高封装层次的语言，极大降低了开发者学习门槛。

当然 JS 还提供了一些相对原生的语法比如 ArrayBuffer，或者 WASM 让开发者直接操作更底层的特性，这可以使性能控制更精确，但带来了更大的学习和维护成本，需要开发者根据实际情况权衡。

讨论地址是：精读《JS 数组的内部实现》· Issue #414 · dt-fe/weekly

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