JS 数组

简介

数组、链表、栈、队列都是线性表，它表示的结构都是一段线性的结构，与之对应的就是非线性表，例如树、图、堆等，它表示的结构都非线性。

本节主要介绍 JavaScript 数组，在开始本章节前，思考一个问题：

我们知道在 JavaScript 中，可以在数组中保存不同类型值，并且数组可以动态增长，不像其它语言，例如 C，创建的时候要决定数组的大小，如果数组满了，就要重新申请内存空间。这是为什么喃？

本节从 Chrome v8 源码角度回答这个问题，分为四个方面：

  • 数组基础入门

  • JavaScript 中，数组为什么可以保存不同类型？

  • JavaScript 中，数组是如何存储的喃？

  • JavaScript 中，数组的动态扩容与减容

数组（基础）

一种最基础的数据结构，每种编程语言都有，它编号从 0 开始，代表一组连续的储存结构，用来储存同一种类型的数据。

let arr = [1, 2, 3]

它的这种特定的存储结构（连续存储空间存储同一类型数据）决定了：

优点

  • 随机访问：可以通过下标随机访问数组中的任意位置上的数据

缺点

  • 对数据的删除和插入不是很友好

查找： 根据下标随机访问的时间复杂度为 O(1)；

插入或删除： 时间复杂度为 O(n)；

在 JavaScript 中的数组几乎是万能的，它不光可以作为一个普通的数组使用，可以作为栈或队列使用。

数组：

let array = [1, 2, 3]

栈：

let stack = [1, 2, 3]
// 进栈
stack.push(4)
// 出栈
stcak.pop()

队列：

let queue = [1, 2, 3]
// 进队
queue.push(4)
// 出队
queue.shift()

JS 中数组可以保存不同类型

看一下 Chrome v8 源码：

// The JSArray describes JavaScript Arrays
//  Such an array can be in one of two modes:
//    - fast, backing storage is a FixedArray and length <= elements.length();
//       Please note: push and pop can be used to grow and shrink the array.
//    - slow, backing storage is a HashTable with numbers as keys.
class JSArray: public JSObject {
 public:
  // [length]: The length property.
  DECL_ACCESSORS(length, Object)
    
  // ...
   
  // Number of element slots to pre-allocate for an empty array.
  static const int kPreallocatedArrayElements = 4;
};

我们可以看到 JSArray 是继承自 JSObject 的，所以在 JavaScript 中，数组可以是一个特殊的对象，内部也是以 key-value 形式存储数据，所以 JavaScript 中的数组可以存放不同类型的值。

JS 中数据的存储

// The JSArray describes JavaScript Arrays
//  Such an array can be in one of two modes:
//    - fast, backing storage is a FixedArray and length <= elements.length();
//       Please note: push and pop can be used to grow and shrink the array.
//    - slow, backing storage is a HashTable with numbers as keys.
class JSArray: public JSObject {
 public:
  // [length]: The length property.
  DECL_ACCESSORS(length, Object)
    
  // ...
   
  // Number of element slots to pre-allocate for an empty array.
  static const int kPreallocatedArrayElements = 4;
};

JSArray 继承于 JSObject ，从注释上看，它有两种存储方式：

  • fast：存储结构是 FixedArray ，并且数组长度 <= elements.length() ，push 或 pop 时可能会伴随着动态扩容或减容

  • slow：存储结构是 HashTable（哈希表），并且数组下标作为 key

fast 模式下数组在源码里面叫 FastElements ，而 slow 模式下的叫做 SlowElements 。

快数组

FixedArray 是 V8 实现的一个类似于数组的类，它表示一段连续的内存，可以使用索引直接定位。新创建的空数组默认就是快数组。当数组满（数组的长度达到数组在内存中申请的内存容量最大值）的时候，继续 push 时， JSArray 会进行动态的扩容，以存储更多的元素。

慢数组

慢数组以哈希表的形式存储在内存空间里，它不需要开辟连续的存储空间，但需要额外维护一个哈希表，与快数组相比，性能相对较差。

// src/objects/dictionary.h
class EXPORT_TEMPLATE_DECLARE(V8_EXPORT_PRIVATE) Dictionary
    : public HashTable<Derived, Shape> {
  using DerivedHashTable = HashTable<Derived, Shape>;

 public:
  using Key = typename Shape::Key;
  // Returns the value at entry.
  inline Object ValueAt(InternalIndex entry);
  inline Object ValueAt(const Isolate* isolate, InternalIndex entry);
  
  // ...
};

从源码中可以看出，它的内部就是一个 HashTable。

什么时候会从 fast 转变为 slow ？

当处于以下情况时，快数组会被转变为慢数组：

  • 当加入的索引值 index 比当前容量 capacity 差值大于等于 1024 时（index - capacity >= 1024）

  • 快数组新容量是扩容后的容量 3 倍之多时

例如：向快数组里增加一个大索引同类型值

var arr = [1, 2, 3]
arr[2000] = 10;

当往 arr 增加一个 2000 的索引时，arr 被转成慢数组。节省了大量的内存空间（从索引为 2 到索引为 2000）。

什么时候会从 slow 转变为 fast ？

当慢数组的元素可存放在快数组中且长度在 smi 之间且仅节省了50%的空间，则会转变为快数组

JS 数组动态扩容与减容

扩容

默认空数组初始化大小为 4 :

// Number of element slots to pre-allocate for an empty array.
static const int kPreallocatedArrayElements = 4;

在 JavaScript 中，当数组执行 push 操作时，一旦发现数组内存不足，将进行扩容。

在 Chrome 源码中， push 的操作是用汇编实现的，在 c++ 里嵌入的汇编，以提高执行效率，并且在汇编的基础上用 c++ 封装了一层，在编译执行的时候，会将这些 c++ 代码转成汇编代码。

计算新容量的函数：

// js-objects.h
static const uint32_t kMinAddedElementsCapacity = 16;

// code-stub-assembler.cc
Node* CodeStubAssembler::CalculateNewElementsCapacity(Node* old_capacity,
                                                      ParameterMode mode) {
  CSA_SLOW_ASSERT(this, MatchesParameterMode(old_capacity, mode));
  Node* half_old_capacity = WordOrSmiShr(old_capacity, 1, mode);
  Node* new_capacity = IntPtrOrSmiAdd(half_old_capacity, old_capacity, mode);
  Node* padding =
      IntPtrOrSmiConstant(JSObject::kMinAddedElementsCapacity, mode);
  return IntPtrOrSmiAdd(new_capacity, padding, mode);
}

所以扩容后新容量计公式为：

new_capacity = old_capacity /2 + old_capacity + 16

即老的容量的 1.5 倍加上 16 。初始化为 4 个，当 push 第 5 个的时候，容量将会变成：

new_capacity = 4 / 2 + 4 + 16 = 22

接着申请一块这么大的内存，把老的数据拷过去，把新元素放在当前 length 位置，然后将数组的 length + 1，并返回 length。

所以，扩容可以分为以下几步：

  • push 操作时，发现数组内存不足

  • 申请 new_capacity = old_capacity /2 + old_capacity + 16 那么长度的内存空间

  • 将数组拷贝到新内存中

  • 把新元素放在当前 length 位置

  • 数组的 length + 1

  • 返回 length

减容

当数组执行 pop 操作时，会判断 pop 后数组的容量，是否需要进行减容。

不同于数组的 push 使用汇编实现的， pop 使用 c++ 实现的。

判断是否进行减容：

if (2 * length <= capacity) {
  // If more than half the elements won't be used, trim the array.
  isolate->heap()->RightTrimFixedArray(*backing_store, capacity - length);
} else {
  // Otherwise, fill the unused tail with holes.
  BackingStore::cast(*backing_store)->FillWithHoles(length, old_length);
}

所以，当数组 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。

所以，减容可以分为以下几步：

  • pop 操作时，获取数组 length

  • 获取 length - 1 上的元素（要删除的元素）

  • 数组 length - 1

  • 判断数组的总容量是否大于等于 length - 1 的 2 倍

  • 是的话，使用 RightTrimFixedArray 函数，计算出需要释放的空间大小，并做好标记，等待 GC 回收

  • 不是的话，用 holes 对象填充

  • 返回要删除的元素

总结

JavaScript 中， JSArray 继承自 JSObject ，或者说它就是一个特殊的对象，内部是以 key-value 形式存储数据，所以 JavaScript 中的数组可以存放不同类型的值。它有两种存储方式，快数组与慢数组，初始化空数组时，使用快数组，快数组使用连续的内存空间，当数组长度达到最大时，JSArray 会进行动态的扩容，以存储更多的元素，相对慢数组，性能要好得多。当数组中 hole 太多时，会转变成慢数组，即以哈希表的方式（ key-value 的形式）存储数据，以节省内存空间。

参考

  1. https://juejin.im/post/5e84ae366fb9a03c840d564f

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