V8中的快慢数组（附源码分析、图文更易理解😃）

发表于 2022-08-10 更新于 2023-10-27 分类于前端阅读次数： Changyan：本文字数： 6.9k 阅读时长 ≈ 6 分钟

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。

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

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：

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。

2、快慢数组

1
2
3

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

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。

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。
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

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

1
2
3

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

2.1、快数组何时转换为慢数组

(1)、看一下源码先👇

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);
}

(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：

1
2
3

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

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:

修改arr之后：

2.2、慢数组何时转换为快数组

(1)、看一下源码先👇

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;
}

(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👇

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;

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：

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;
}

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：

1
2
3

const arr = [1, 2, 3, 4];
arr.push(5);
%DebugPrint(arr);

arr.push 之前：
arr.push 后：

具体分析如下：
👇

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。
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，
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);
}

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：

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；
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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