为何说JS数组不是“真正”的数组

前言

数组是咱们前端平常开发中最熟悉的一种数据类型，但你真的了解数组吗？经过本文，你将了解：

• JS数组和传统数组的区别
• V8引擎为“传统”数组作了哪些优化
• 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中的数组元素能够是各类类型？？？好比下面这样：

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备必定权威的，难道JS的数组不是真的“数组”？

这么来看，咱们姑且推断出一个结论，由于：不一样数据类型存储所需空间大小不一样。
因此：用来存放数组的内存地址必定是连续的（除非类型相同）。
所以咱们大胆猜想，JS中的数组实现必定不是基础的数据结构实现的。因此，如标题所说的，JS中本来没有“真正”的数组！这就引发了个人好奇心了，那么JS中是如何“实现”数组这个概念的呢？ 咱们来一探究竟！

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，因此内存在其中扮演了“搬运工”的角色。

内存是由DRAM（动态随机存储器）芯片组成的。DRAM的内部结构能够说是PC芯片中最简单的，是由许多重复的“单元”——cell组成，每个cell由一个电容和一个晶体管（通常是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因为结构简单，能够作到面积很小，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。因此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，经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++数组声明示例代码以下：

// 数据类型 数组名[元素数量]
double balance[10];

上述代码中，须要指定元素类型和数量，这很是重要。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何要让C/C++、Java这类编译型语言在数组的设计上要固定长度。由于数组空间数连续的，因此这就意味着内存中须要有一整块的空间用来存放数组。若是长度不固定，那么内存中位于数组以后的区域无法继续往下分配了！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

为何数组的定义须要每一个元素数据类型相同呢。其实比较容易理解了，若是数组容许各类类型的数据，那么每存入一个元素都要进行装箱操做，每读取一个元素又要进行拆箱操做。统一数据类型就能够省略装箱和拆箱的步骤了，这样能提升存储和读取的效率。

V8引擎下数组的实现

写在前面

首先，咱们要了解JS代码是如何在计算机上被执行的。和Python同样，它做为一门解释型语言，须要宿主环境去对它进行“转换”，而后再由机器运行机器码，也就是二进制。咱们平时对JS的讨论不少都是（默认）基于浏览器来说的，当前大多主流浏览器底层都是基于C++开发的，而且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。因此会有开发者觉得JavaScript是用C++写的，要知道这是不对的。

做为一门解释型语言，JS并不是只有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）。因此，咱们要来研究JS中数组的实现就要依赖“解释”他JS引擎来说了。本文咱们用V8引擎来进行讲解。

V8源码中的JS数组

为了追踪JS究竟是如何实现数组的，咱们追踪到V8中看看它是如何去“解析”JS数组的。下面截图来自V8源码：

能够看到上面截图1中能够获得两个信息（V8源码注释写的仍是比较详细的）：

• 一、JSArray数组继承于JSObject对象
• 二、数组有快慢两种模式

下面咱们来具体讲讲。

JS数组就是“对象”

若是说JS中的数组底层是一个对象，那么咱们就能够解释为何JS中数组能够放各类类型了。假设咱们猜想是对的，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，在网上看了不少资料，也找了不少方法，最终锁定使用经过观察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，他能够帮咱们安装各类JS引擎，也能够将JS转为字节码。

测试代码：

const arr = [1, true, 'foo'];

而后使用V8-debug引擎去debug打印他转译的字节码，以下图所示：


那么这就能够得出结论，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

细心的同窗可能发现了，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

那么来思考下为何要V8要将数组这样“设计”，动机是什么？无非就是为了提高性能，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 内存提升 性能

这是时间换空间，空间换时间的博弈，最后看到底哪一个“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，能够动态调整存储空间。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

由于JS数组是动态可变的，因此这样安排的固定空间势必会形成内存空间的损耗。
而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高JS数组在性能上的缺陷，也能够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（增长内存来提高性能），但因为JS是弱类型语言，空间没法固定，因此使用数组的length来做为依据，在底层进行内存的从新分配。

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，因此咱们在适合的适合会作相应的转换，以指望它能以最适合当前数组的方式去提高性能。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成慢数组。kPreferFastElementsSizeFactor 源码中声明以下：

// 此处注释翻译：相比于快（模式）元素，若是字典元素能节省很是多的内存空间，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，源码中声明以下：

// 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从新赋值要远超其所需的容量+1024的时候，就会形成内从的浪费，因而改成慢数组。咱们来验证下：

示例代码一：

let arr = [1];

%DebugPrint(arr) 后截图以下：

而后将arr数组从新赋值:

arr[1024] = 2;

%DebugPrint(arr) 后截图以下：

ok，验证成功。接下来咱们来看如何从慢数组到快数组。

从上面源码注释能够知道，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）。
咱们继续来验证:

let arr = [1];
arr[1025] = 1;

上面代码声明的数组使用的是慢数组（Dictionary），截图以下

接下来让索引从500开始填充数字1，让其知足快数组节省空间小于50％：

for(let i=500;i<1024;i++){
    arr[i]=1;
}

获得结果以下：

最终咱们获得结果，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中因为语言“特点”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代码转译层作的优化，那么还有其余方式吗？

固然有，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能在操做系统内存中获得一块连续的二进制区域。而后这块区域供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);

但须要注意的是ArrayBuffer自己不具有操做字节能力，须要经过视图去操做。好比：

let buffer = new ArrayBuffer(3);
let view = new DataView(buffer);
view.setInt8(0, 8)

更多细节本文再也不展开，请读者自行探索。

完结。