深入 JavaScript 数组:进化与性能

正式开始前需要声明,本文并不是要讲解 JavaScript 数组基础知识,也不会涉及语法和使用案例。本文讲得更多的是内存、优化、语法差异、性能、近来的演进。

在使用 JavaScript 前,我对 C、C++、C# 这些已经颇为熟悉。与许多 C/C++ 开发者一样,JavaScript 给我的第一印象并不好。

Array 是主要原因之一。JavaScript 数组不是连续(contiguous)的,其实现类似哈希映射(hash-maps)或字典(dictionaries)。我觉得这有点像是一门 B 级语言,数组实现根本不恰当。自那以后,JavaScript 和我对它的理解都发生了变化,很多变化。

为什么说 JavaScript 数组不是真正的数组

在聊 JavaScript 之前,先讲讲 Array 是什么。

数组是一串连续的内存位置,用来保存某些值。注意重点,“连续”(continuous,或 contiguous),这很重要。

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上图展示了数组在内存中存储方式。这个数组保存了 4 个元素,每个元素 4 字节。加起来总共占用了 16 字节的内存区。

假设我们声明了 tinyInt arr[4];,分配到的内存区的地址从 1201 开始。一旦需要读取 arr[2],只需要通过数学计算拿到 arr[2] 的地址即可。计算 1201 + (2 X 4),直接从 1209 开始读取即可。

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JavaScript 中的数据是哈希映射,可以使用不同的数据结构来实现,如链表。所以,如果在 JavaScript 中声明一个数组 var arr = new Array(4),计算机将生成类似上图的结构。如果程序需要读取 arr[2],则需要从 1201 开始遍历寻址。

以上急速 JavaScript 数组与真实数组的不同之处。显而易见,数学计算比遍历链表快。就长数组而言,情况尤其如此。

JavaScript 数组的进化

不知你是否记得我们对朋友入手的 256MB 内存的电脑羡慕得要死的日子?而今天,8GB 内存遍地都是。

与此类似,JavaScript 这门语言也进化了不少。从 V8、SpiderMonkey 到 TC39 和与日俱增的 Web 用户,巨大的努力已经使 JavaScript 成为世界级必需品。一旦有了庞大的用户基础,性能提升自然是硬需求。

实际上,现代 JavaScript 引擎是会给数组分配连续内存的 —— 如果数组是同质的(所有元素类型相同)。优秀的程序员总会保证数组同质,以便 JIT(即时编译器)能够使用 c 编译器式的计算方法读取元素。

不过,一旦你想要在某个同质数组中插入一个其他类型的元素,JIT 将解构整个数组,并按照旧有的方式重新创建。

因此,如果你的代码写得不太糟,JavaScript Array 对象在幕后依然保持着真正的数组形式,这对现代 JS 开发者来说极为重要。

此外,数组跟随 ES2015/ES6 有了更多的演进。TC39 决定引入类型化数组(Typed Arrays),于是我们就有了 ArrayBuffer

ArrayBuffer 提供一块连续内存供我们随意操作。然而,直接操作内存还是太复杂、偏底层。于是便有了处理 ArrayBuffer 的视图(View)。目前已有一些可用视图,未来还会有更多加入。

了解更多关于类型化数组(Typed Arrays)的知识,请访问 MDN 文档

高性能、高效率的类型化数组在 WebGL 之后被引入。WebGL 工作者遇到了极大的性能问题,即如何高效处理二进制数据。另外,你也可以使用 SharedArrayBuffer 在多个 Web Worker 进程之间共享数据,以提升性能。

从简单的哈希映射到现在的 SharedArrayBuffer,这相当棒吧?

旧式数组 vs 类型化数组:性能

前面已经讨论了 JavaScript 数组的演进,现在来测试现代数组到底能给我们带来多大收益。下面是我在 Mac 上使用 Node.js 8.4.0 进行的一些微型测试结果。

旧式数组:插入

用时:55ms

Typed Array:插入

用时:52ms

擦,我看到了什么?旧式数组和 ArrayBuffer 的性能不相上下?不不不。请记住,前面提到过,现代编译器已经智能化,能够将元素类型相同的传统数组在内部转换成内存连续的数组。第一个例子正是如此。尽管使用了 new Array(LIMIT),数组实际依然以现代数组形式存在。

接着修改第一例子,将数组改成异构型(元素类型不完全一致)的,来看看是否存在性能差异。

旧式数组:插入(异构)

用时:1207ms

改变发生在第 3 行,添加一条语句,将数组变为异构类型。其余代码保持不变。性能差异表现出来了,慢了 22 倍

旧式数组:读取

用时:196ms

Typed Array:读取

用时:27ms

结论

类型化数组的引入是 JavaScript 发展历程中的一大步。Int8Array,Uint8Array,Uint8ClampedArray,Int16Array,Uint16Array,Int32Array,Uint32Array,Float32Array,Float64Array,这些是类型化数组视图,使用原生字节序(与本机相同)。我们还可以使用 DataView 创建自定义视图窗口。希望未来会有更多帮助我们轻松操作 ArrayBuffer 的 DataView 库。

JavaScript 数组的演进非常 nice。现在它们速度快、效率高、健壮,在内存分配时也足够智能。

 

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