你可能不知道的V8数组优化

前言

随着Web相关技术的发展，JavaScript所要承担的工作也越来越多，这就更需要快速的解析和执行JavaScript脚本。
在我们实际的运用中，数组绝对算得上是编码过程中一个重要的角色，那么V8对于我们常用的数组又做了哪些优化来使其跑得更快呢？

1.先讲讲number

相信很多人都会被问到这样一个面试的问题

0.2+0.1为什么不等于0.3?

而你也可以很轻易地回答出这是因为js采用的是IEEE754双精度浮点表示法来表示数字，当数字进行计算的时候，需要先进行二进制转换然后进行对阶运算。在进行二进制转换的时候，0.1和0.2因为转换成的是一个无限循环的数，超出了双精度表示法可以表示的长度，因此裁掉了部分的尾数，从而导致0.1和0.2变成了一个近似0.1或者0.2的值，那么它们相加的和就不会等于0.3了

那么，这里就有一个问题了

js中是64位来表示数字，那么在V8引擎层面是否也是使用64位来表示数字呢？

为什么会这么问？
因为我们知道，数字在内存中的表示可以有多种（如下），而64位，显然是最慢的

representation	bits
8位二进制补码	0010 1001
32位二进制补码	0000 0000 0000 0000 0000 0000 0010 1010
二进制编码的十进数码	0100 0010
32位 IEEE-754 单精度浮点	0100 0010 0010 1000 0000 0000 0000 0000
64位 IEEE-754 双精度浮点	0100 0000 0100 0101 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000

我们在使用js这门语言来编程的时候，其实使用的大部分是32位就可以表示的数，因此，引擎做了这样一个优化

ECMAScript 标准约定number数字需要被当成 64 位双精度浮点数处理，但事实上，一直使用 64 位去存储任何数字实际是非常低效的，所以 JavaScript 引擎并不总会使用 64 位去存储数字，引擎在内部采用其他内存表示方式（如 32 位），只要保证数字外部所有能被监测到的特性对齐 64 位的表现就行。

2.对数字的分类Smi和HeapNumber

不仅仅是使用32位来表示数字那么简单，V8还对数字进行了分类，将数字分为了Smi 和 HeapNumber

注意：这个仅仅是引擎层面的处理，js内部只认识数字，不区分整数和浮点数

//32位平台是 2的30次方
//64位平台是 2的31次方
 -Infinity // HeapNumber
-(2**30)-1 // HeapNumber
  -(2**30) // Smi
       -42 // Smi
        -0 // HeapNumber
         0 // Smi
       4.2 // HeapNumber
        42 // Smi
   2**30-1 // Smi
     2**30 // HeapNumber
  Infinity // HeapNumber
       NaN // HeapNumber

可以从上面看出，Smi代表的是小整数,而HeapNumber则代表了一些浮点数以及无法用32位表示的数，比如NaN,Infinity,-0

为什么要区分这两种？
原因还是之前说的，因为小整数在我们的编码过程中太常见了，所以，V8专门把它领出来，并且对其进行了优化操作，它可以进行快速整型操作

那么大概是怎么优化处理呢？
如图所示我们声明了一个对象，对象的x值是一个Smi，而y值是一个HeapNumber，v8给HeapNumber专门分配了一个内存对象来存储值，并将o.y的对象指针指向该内存实体。

当我们更新他们的值的时候，Smi的值会原地更新，而HeapNumber由于它不可变的特性，V8会开辟一个新的内存实体用来储存新的值，然后将o.y的对象指针指向该内存实体。

如果我们需要频繁更新HeapNumber的值，执行效率会比Smi慢得多：
在这个短暂的循环中，引擎不得不创建 6 个HeapNumber实例，0.1、1.1、2.1、3.1、4.1、5.1，而等到循环结束，其中 5 个实例都会成为垃圾。

为了防止这个问题，V8 提供了一种优化方式去原地更新非Smi的值：当一个数字内存区域拥有一个非Smi范围内的数值时，V8 会将这块区域标志为Double区域，并会为其分配一个用 64 位浮点表示的MutableHeapNumber实例。

此后当你再次更新这块区域，V8 就不再需要创建一个新的HeapNumber实例，而可以直接在MutableNumber实例中进行更新了。

前面说到，HeapNumber和MutableNumber都是使用指针引用的方式指向内存实体，而MutableNumber是可变的，如果此时你将属于MutableNumber的值o.x赋值给其他变量y，你一定不希望你下次改变o.x时，y也跟着改变。 为了防止这种情况，当o.x被共享时，o.x内的MutableHeapNumber需要被重新封装成HeapNumber传递给y：

3.数组的常见元素种类

从上面我们学到了一个简单的知识，那就是数字会被v8分为两种，一种是Smi，另一种是HeapNumber，那么这两种表现方式会给其他东西带了什么改变呢？

在 V8 中，如果属性名是数字（最常见的形式是 Array 构造函数生成的对象）会被特殊处理。尽管在许多情况下，这些数字索引属性的行为与其他属性一样，V8 选择将它们与非数字属性分开存储以进行优化。在引擎内部，V8 甚至给这些属性一个特殊的名称：元素。

举个例子

const array = [1, 2, 3];

它包含什么样的元素？如果你使用 typeof 操作符，它会告诉你数组包含 number。在语言层面，这就是你所得到的：JavaScript 不区分整数，浮点数和双精度 - 它们只是数字。然而，在引擎级别，我们可以做出更精确的区分。这个数组的元素是 PACKED_SMI_ELEMENTS，而这个SMI就是我们刚刚所说的小整数。

我们可以这个数组中添加一个浮点数将其转换为更通用的元素类型，这里并不叫HeapNumber而是Double，但是我们知道v8确实是把小整数和浮点数分开进行优化处理的。

const array = [1, 2, 3];
// 元素类型: PACKED_SMI_ELEMENTS
array.push(4.56);
// 元素类型: PACKED_DOUBLE_ELEMENTS

向数组添加字符串再次改变其元素类型

const array = [1, 2, 3];
// 元素类型: PACKED_SMI_ELEMENTS
array.push(4.56);
// 元素类型: PACKED_DOUBLE_ELEMENTS
array.push('x');
// 元素类型: PACKED_ELEMENTS

这里重要的一点是，元素种类转换只能从一个方向进行：从特定的（例如 PACKED_SMI_ELEMENTS）到更一般的（例如 PACKED_ELEMENTS）。例如，一旦数组被标记为 PACKED_ELEMENTS，它就不能回到 PACKED_DOUBLE_ELEMENTS。

4.密集数组 PACKED 和稀疏数组 HOLEY

const array = [1, 2, 3, 4.56, 'x'];
// 元素类型: PACKED_ELEMENTS
array.length; // 5
array[9] = 1; // array[5] until array[8] are now holes
// 元素类型: HOLEY_ELEMENTS

V8 之所以做这个区别是因为 PACKED 数组的操作比在 HOLEY 数组上的操作更利于进行优化。对于 PACKED 数组，大多数操作可以有效执行。相比之下， HOLEY 数组的操作需要对原型链进行额外的检查和昂贵的查找。

5.元素种类的过渡方向

我们上面就开始一直说 元素类型只能从往方向过渡，那么这个方向有一个名字，叫做格 lattice(数学概念)。这是一个简化的可视化，仅显示最常见的元素种类

只能通过格子向下过渡。一旦将单精度浮点数添加到 Smi 数组中，即使稍后用 Smi 覆盖浮点数，它也会被标记为 DOUBLE。类似地，一旦在数组中创建了一个洞，它将被永久标记为有洞 HOLEY，即使稍后填充它也是如此。

V8 目前有 21 种不同的元素种类，每种元素都有自己的一组可能的优化。

一般来说，更具体的元素种类可以进行更细粒度的优化。元素类型的在格子中越是向下，该对象的操作越慢。为了获得最佳性能，请避免不必要的不具体类型 - 坚持使用符合您情况的最具体的类型。

6.性能优化

从上一部分的我们介绍格的结论当中，我们就可以大致摸清楚我们优化的方向，那就是
尽量使你的元素种类单一并且处于比较上层的格，避免元素类型转换

那么落在实处的话，我们有这几种比较具体的优化策略

6.1避免创建洞

const array = new Array(3);
// 此时，数组是稀疏的，所以它被标记为 `HOLEY_SMI_ELEMENTS`
array[0] = 'a';
// 接着，这是一个字符串，而不是一个小整数...所以过渡到`HOLEY_ELEMENTS`。
array[1] = 'b';
array[2] = 'c';
// 这时，数组中的所有三个位置都被填充，所以数组被打包（即不再稀疏）。
// 但是，我们无法转换为更具体的类型，例如 “PACKED_ELEMENTS”。
// 元素类保留为“HOLEY_ELEMENTS”。

那么我们可以怎么做来避免创建洞呢？

let array = []
array.push(newElement) //循环

或者字面量方式

let array = [1,2,3,4,5]

6.2避免元素种类转换

const array = [3, 2, 1, +0];
// PACKED_SMI_ELEMENTS
array.push(-0);
// PACKED_DOUBLE_ELEMENTS

避免 -0，除非你需要在代码中明确区分 -0 和 +0。（你可能并不需要）

同样还有 NaN 和 Infinity。它们被表示为双精度，因此添加一个 NaN 或 Infinity 会将 SMI_ELEMENTS 转换为
DOUBLE_ELEMENTS。

如果您计划对整数数组执行大量操作，在初始化的时候请考虑规范化 -0，并且防止 NaN 以及 Infinity。这样数组就会保持 PACKED_SMI_ELEMENTS。

6.3避免多态

如果您的代码需要处理包含多种不同元素类型的数组，则可能会比单个元素类型数组要慢，因为你的代码要对不同类型的数组元素进行多态操作。

const each = (array, callback) => {
  for (let index = 0; index < array.length; ++index) {
    const item = array[index];
    callback(item);
  }
};
const doSomething = (item) => console.log(item);


each([1, 2, 3], doSomething);
each([1.1, 2.2, 3.3], doSomething);
each(['a', 'b', 'c'], doSomething);

我们调用了each3次，并且每次都没有给它相同的元素类型，在V8中，它采用内联缓存（Inline Caches，简称 IC）来缓存调用的实现以优化这些操作的执行过程。
当我们第一次只传入类型为packed_smi_element的[1,2,3]，v8会使用IC来缓存这个方法的调用，记录元素类型以及其他信息，那么我们下一次传入packed_smi_element时，直接就可以从缓存里取到优化后的调用方法，然后进行调用。
但是我们第二次如果传入的不一样的元素类型，比如packed_double_number，那么v8又会重新缓存一个新的调用实现（适用于packed_double_number），那么我们传入元素的时候就需要进行2次判断了，先判断是不是smi，如果不是，就判断是不是packed_double_number，如果是其他，那么又会重新缓存一个新的调用实现...

这上面说的其实是多态IC，多态IC缓存数也是有上限的

6.4 类数组对象

类数组对象类似于数组，都有这数字属性和lenth属性，而且我们也可以通过call,apply的方式来让类数组对象使用数组方法

但是，这比在真正的数组中调用数组方法慢，数组的方法在 V8 中是高度优化的

所以，如果你打算对类数组对象（比如Dom，或者是arguments）进行操作，请先将其转换为数组对象

可以使用es6的语法或者Array的slice方法

Array.from(arrayLike)

Array.prototype.slice.call(arrayLike,0)

总结

主要有以下几点知识需要记住

• 数字在js中是64位双精度浮点表示法表示的，但是V8内部做了优化，还可以使用32位来表示部分的整数
• v8把数字分为小整数Smi和堆数字HeapNumber,Smi可以进行快速整型操作，比HeapNumber快
• 数组会将属性进行分类，并且称之为元素种类
• 数组的元素种类只可以从比较特定的方向转变为比较普遍的方向，并且后者的效率会低得多

个人博客：李雷的博客
参考文章：
Mathias Bynens - V8 internals for JavaScript developers

The story of a V8 performance cliff in React