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前端进阶算法2：从Chrome V8源码看JavaScript数组（附赠腾讯面试题）

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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（ FastElements ）

下面进入正题吧！（文末有惊喜）😊

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一、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()

二、JavaScript 中，数组可以保存不同类型值

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。

三、JavaScript 中，数组的存储

// 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 。

1. 快数组（FastElements）

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。

2. 慢数组（SlowElements）

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。

3. 什么时候会从 fast 转变为 slow 喃？

从 Chrome V8 源码上看，

// src/objects/js-objects.h
static const uint32_t kMaxGap = 1024;

// src/objects/dictionary.h
// JSObjects prefer dictionary elements if the dictionary saves this much
// memory compared to a fast elements backing store.
static const uint32_t kPreferFastElementsSizeFactor = 3;

// 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;
  // 快数组新容量是扩容后的容量3倍之多时，也会被转成慢数组
  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;
  }
  // 当加入的索引值（例如例3中的2000）比当前容量capacity 大于等于 1024时，
  // 返回true，转为慢数组
  if (index - capacity >= JSObject::kMaxGap) return true;
  *new_capacity = JSObject::NewElementsCapacity(index + 1);
  DCHECK_LT(index, *new_capacity);
  // TODO(ulan): Check if it works with young large objects.
  if (*new_capacity <= JSObject::kMaxUncheckedOldFastElementsLength ||
      (*new_capacity <= JSObject::kMaxUncheckedFastElementsLength &&
       ObjectInYoungGeneration(object))) {
    return false;
  }
  return ShouldConvertToSlowElements(object.GetFastElementsUsage(),
                                     *new_capacity);
}

所以，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）。

4. 什么时候会从 slow 转变为 fast 喃？

我们已经知道在什么时候会出现由快变慢，那由慢变快就很简单了

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 = 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;
}

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

四、JavaScript 中，数组的动态扩容与减容（FastElements）

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

整个过程，用户是无感知的，不像 C，需用用户手动申请内存空间。

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

五、解答开篇问题

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。

六、最后附赠一道前端面试题（腾讯）：数组扁平化、去重、排序

关于 Array 的属性、方法这里不再做介绍，详看 MDN Array 。

面试题：

已知如下数组：var arr = [ [1, 2, 2], [3, 4, 5, 5], [6, 7, 8, 9, [11, 12, [12, 13, [14] ] ] ], 10];

编写一个程序将数组扁平化去并除其中重复部分数据，最终得到一个升序且不重复的数组

答案：

var arr = [ [1, 2, 2], [3, 4, 5, 5], [6, 7, 8, 9, [11, 12, [12, 13, [14] ] ] ], 10]
// 扁平化
let flatArr = arr.flat(4)
// 去重
let disArr = Array.from(new Set(flatArr))
// 排序
let result = disArr.sort(function(a, b) {
    return a-b
})
console.log(result)
// [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14]

关于 Set 请查阅 Set、WeakSet、Map及WeakMap

参考链接：

探究JS V8引擎下的“数组”底层实现

从Chrome源码看JS Array的实现

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wangxueyou110 commented

let stack = [1, 2, 3]
// 进栈
stack.push(4)
// 出栈
stcak.pop()
这里的名称写错了，应是stack

  • 👍1
fengmiaosen commented

快数组，慢数组，数组扩容和减容，学习了

missop commented

对数组有了深刻的认识

shanlion commented

请问数组直接定义为有十万个长度的数组，算快数组么，快速组的容量有什么限制么，

tangtangtangtangtang commented

请问数组直接定义为有十万个长度的数组，算快数组么，快速组的容量有什么限制么，

慢数组把，hole太多就会是慢数组，毕竟不可能申请十万个空间全部放hole空着。。。

cutie6 commented

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。

这里的因为所以关系不严谨吧？

gushaowen2017 commented

●快数组新容量是扩容后的容量 3 倍之多时 这句话没太明白，有大佬解释一波吗？感谢

  • 👍1
kidjayhuang commented

image
这里是不是写错了，应该是小于等于吧

  • 👍1
wy6395727 commented

动态扩容：数组初始length 空间是4，push第五个元素的时候 new_capacity = old_capacity /2 + old_capacity + 16 也就是22的空间出来
v8 数组：继承制jsobject,本质还是一中键值对，默认快数组，hold太多之后，可变成慢数组（不连续的内存空间），避免存储空间的浪费；
V8真的吊哇🤩