摘要：內存結構與屬性訪問詳解從屬于筆者的前端入門與工程實踐，推薦閱讀我的前端之路工具化與工程化。內存結構與屬性訪問上世紀九十年代，隨著網景瀏覽器的發(fā)行，首次進入人們的視線。

V8 Object 內存結構與屬性訪問詳解從屬于筆者的Web 前端入門與工程實踐，推薦閱讀2016-我的前端之路:工具化與工程化。更多關于 JavaScript 引擎文章參考這里。

上世紀九十年代，隨著網景瀏覽器的發(fā)行，JavaScript 首次進入人們的視線。之后隨著 AJAX 的大規(guī)模應用與富客戶端、單頁應用時代的到來，JavaScript 在 Web 開發(fā)中占據(jù)了越來越重要的地位。在早期的 JavaScript 引擎中，性能越發(fā)成為了開發(fā)網頁應用的瓶頸。而 V8 引擎設計的目標就是為了保證大型 JavaScript 應用的執(zhí)行效率，在很多測試中可以明顯發(fā)現(xiàn) V8 的性能優(yōu)于 JScript (Internet Explorer), SpiderMonkey (Firefox), 以及 JavaScriptCore(Safari). 根據(jù) V8 的官方文檔介紹，其主要是從屬性訪問、動態(tài)機器碼生成以及高效的垃圾回收這三個方面著手性能優(yōu)化。Obejct 當屬 JavaScript 最重要的數(shù)據(jù)類型之一，本文我們對其內部結構進行詳細闡述。其繼承關系圖如下所示：

在 V8 中新分配的 JavaScript 對象結構如下所示：

[ class / map ] -> ... ; 指向內部類
[ properties  ] -> [empty array]
[ elements    ] -> [empty array] ; 數(shù)值類型名稱的屬性
[ reserved #1 ] -
[ reserved #2 ]  |
[ reserved #3 ]  }- in object properties,即預分配的內存空間
...............  |
[ reserved #N ] -/

在創(chuàng)建新的對象時，V8 會創(chuàng)建某個預分配的內存區(qū)域來存放所謂的 in-object 屬性，預分配區(qū)域的大小由構造函數(shù)中的參數(shù)數(shù)目決定（this.field = expr）。當你打算向對象中添加某個新屬性時，V8 首先會嘗試放入所謂的 in-order 槽位中，當 in-object 槽位過載之后，V8 會嘗試將新的屬性添加到 out-of-object 屬性列表。而屬性名與屬性下標的映射關系即存放在所謂隱藏類中，譬如{ a: 1, b: 2, c: 3, d: 4}對象的存儲方式可能如下：

[ class       ] -> [a: in obj #1, b: in obj #2, c: out obj #1, d: out obj #2]
[ properties  ] -> [  3  ][  4  ] ; this is linear array
[ elements    ]    
[ 1           ]
[ 2           ]

隨著屬性數(shù)目的增加，V8 會轉回到傳統(tǒng)的字典模式/哈希表模式：

[ class       ] -> [ OBJECT IS IN DICTIONARY MODE ]
[ properties  ] -> [a: 1, b: 2, c: 3, d: 4, e: 5] ; this is classical hash table
[ elements    ]  

V8 Design Elements

A tour of V8: object representation

Demystifying v8 and JavaScript Performance

V8 Docs:Object Class Reference

How does V8 manage the memory of object instances?

作為動態(tài)語言，JavaScript 允許我們以非常靈活的方式來定義對象，譬如：

obj.prop
obj["prop"]

參照 JavaScript 定義規(guī)范中的描述，屬性名恒為字符串，即使你使用了某個非字符串的名字，也會隱式地轉化為字符串類型。譬如你創(chuàng)建的是個數(shù)組，以數(shù)值下標進行訪問，然而 V8 還是將其轉化為了字符串再進行索引，因此以下的方式就會獲得相同的效果：

obj[1];    //
obj["1"];  // names for the same property
obj[1.0];  //

var o = { toString: function () { return "-1.5"; } };

obj[-1.5];  // also equivalent
obj[o];     // since o is converted to string

而 JavaScript 中的 Array 只是包含了額外的length屬性的對象而已，length會返回當前最大下標加一的結果（此時字符串下標會被轉化為數(shù)值類型計算）:

var a = new Array();
a[100] = "foo";
a.length;  //101
a[undefined] = "a";
a.length; //0

Function本質上也是對象，只不過length屬性會返回參數(shù)的長度而已：

> a = ()=>{}
[Function: a]
> a.length
0
> a = (b)=>{}
[Function: a]
> a.length
1

作為動態(tài)類型語言，JavaScript 中的對象屬性可以在運行時動態(tài)地增刪，意味著整個對象的結構會頻繁地改變。大部分 JavaScript 引擎傾向于使用字典類型的數(shù)據(jù)結構來存放對象屬性（ Object Properties），每次進行屬性訪問的時候引擎都需要在內層中先動態(tài)定位屬性對應的下標地址然后讀取值。這種方式實現(xiàn)上比較容易，但是會導致較差的性能表現(xiàn)。其他的類似于 Java 與 Smalltalk 這樣的靜態(tài)語言中，成員變量在編譯階段即確定了其在內存中的固定偏移地址，進行屬性訪問的時候只需要單指令從內存中加載即可。而 V8 則利用動態(tài)創(chuàng)建隱藏內部類的方式動態(tài)地將屬性的內存地址記錄在對象內，從而提升整體的屬性訪問速度。總結而言，每當為某個對象添加新的屬性時，V8 會自動修正其隱藏內部類。我們先通過某個實驗來感受下隱藏類的存在：

var PROPERTIES = 10000000;
var o = {};

var start = +new Date;

for (var i = 0; i < PROPERTIES; i++) {
  o[i] = i;
}

console.log(+new Date - start);

function O(size) {
  for (var i = 0; i < size; i++) {
    this[i] = null;
  }
}

var o = new O(PROPERTIES);

var start = +new Date;

for (var i = 0; i < PROPERTIES; i++) {
  o[i] = i;
}

console.log(+new Date - start);

class OClass {

    constructor(size){
        for (var i = 0; i < size; i++) {
            this[i] = null;
        }
    }

}

var o = new OClass(PROPERTIES);

var start = +new Date;

for (var i = 0; i < PROPERTIES; i++) {
  o[i] = i;
}

console.log(+new Date - start);

該程序的執(zhí)行結果如下：

// Babel 下結果
385
37
49
// Chrome 下結果
416
32
31

第一種實現(xiàn)中，每次為對象o設置新的屬性時，V8 都會創(chuàng)建新的隱藏內部類（內部稱為 Map）來存儲新的內存地址以優(yōu)化屬性查找速度。而第二種實現(xiàn)時，我們在創(chuàng)建新的對象時即初始化了內部類，這樣在賦值屬性時 V8 以及能夠高性能地定位這些屬性。第三種實現(xiàn)則是用的 ES6 Class，在純正的 V8 下性能最好。接下來我們具體闡述下隱藏類的工作原理，假設我們定義了描述點的函數(shù)：

function Point(x, y) {
  this.x = x;
  this.y = y;
}

當我們執(zhí)行new Point(x,y)語句時，V8 會創(chuàng)建某個新的Point對象。創(chuàng)建的過程中，V8 首先會創(chuàng)建某個所謂C0的隱藏內部類，因為尚未為對象添加任何屬性，此時隱藏類還是空的：

接下來調用首個賦值語句this.x = x;為當前Point對象創(chuàng)建了新的屬性x，此時 V8 會基于C0創(chuàng)建另一個隱藏類C1來替換C0，然后在C1中存放對象屬性x的內存位置信息：

這里從C0到C1的變化稱為轉換（Transitions），當我們?yōu)橥粋€類型的對象添加新的屬性時，并不是每次都會創(chuàng)建新的隱藏類，而是多個對象會共用某個符合轉換條件的隱藏類。接下來繼續(xù)執(zhí)行this.y = y 這一條語句，會為Point對象創(chuàng)建新的屬性。此時 V8 會進行以下步驟：

基于C1創(chuàng)建另一個隱藏類C1，并且將關于屬性y的位置信息寫入到C2中。

更新C1為其添加轉換信息，即當為Point對象添加屬性 y 時，應該轉換到隱藏類 C2。

整個過程的偽代碼描述如下：

  Class C0
    "x": TRANSITION to C1 at offset 0

this.x = x;

  Class C1
    "x": FIELD at offset 0
    "y": TRANSITION to C2 at offset 1

this.y = y;

  Map C2
    "x": FIELD at offset 0
    "y": FIELD at offset 1

我們在上文中提及，如果每次添加新的屬性時都創(chuàng)建新的隱藏類無疑是極大的性能浪費，實際上當我們再次創(chuàng)建新的Point對象時，V8 并不會創(chuàng)建新的隱藏類而是使用已有的，過程描述如下：

初始化新的Point對象，并將隱藏類指向C0。

添加x屬性時，遵循隱藏類的轉換原則指向到C1 , 并且根據(jù)C1指定的偏移地址寫入x。

添加y屬性時，遵循隱藏類的轉換原則指向到C2，并且根據(jù)C2指定的偏移地址寫入y。

另外我們在上文以鏈表的方式描述轉換，實際上真實場景中 V8 會以樹的結構來描述轉換及其之間的關系，這樣就能夠用于類似于下面的屬性一致而賦值順序顛倒的場景：

function Point(x, y, reverse) {
  if (reverse) {
    this.x = x;
    this.y = y;
  } else {
    this.y = x;
    this.x = y;
  }
}

JavaScript 中并沒有類的概念（語法糖除外），因此對于方法的調用處理會難于 C++ 或者 Java。下面這個例子中，distance方法可以被看做Point的普通屬性之一，不過其并非原始類型的數(shù)據(jù)，而是指向了另一個函數(shù)：

function Point(x, y) {
  this.x = x;
  this.y = y;
  this.distance = PointDistance;
}

function PointDistance(p) {
  var dx = this.x - p.x;
  var dy = this.y - p.y;
  return Math.sqrt(dx*dx + dy*dy);
}

如果我們像上文介紹的普通的 in-object 域一樣來處理distance屬性，那么無疑會帶來較大的內存浪費，畢竟每個對象都要存放一段外部函數(shù)引用（Reference 的內存占用往往大于原始類型）。C++ 中則是以指向多個虛函數(shù)的虛函數(shù)表（V-Tables）解決這個問題。每個包含虛函數(shù)的類的實例都會指向這個虛函數(shù)表，當調用某個虛函數(shù)時，程序會自動從虛函數(shù)表中加載該函數(shù)的地址信息然后轉向到該地址調用。V8 中我們已經使用了隱藏類這一共享數(shù)據(jù)結構，因此可以很方便地改造下就可以。我們引入了所謂 Constant Functions 的概念，某個 Constant Function 即代表了對象中僅包含某個名字，而具體的屬性值存放在描述符本身的概念：

  Class C0
    "x": TRANSITION to C1 at offset 0

this.x = x;

  Class C1
    "x": FIELD at offset 0
    "y": TRANSITION to C2 at offset 1

this.y = y;

  Class C2
    "x": FIELD at offset 0
    "y": FIELD at offset 1
    "distance": TRANSITION to C3 

this.distance = PointDistance;

  Class C3
    "x": FIELD at offset 0
    "y": FIELD at offset 1
    "distance": CONSTANT_FUNCTION 

注意，在這里如果我們將PointDistance 重定義指向了其他函數(shù)，那么這個轉換也會自動失效，V8 會創(chuàng)建新的隱藏類。另一種解決這個問題的方法就是使用原型，每個構造函數(shù)都會有所謂的Prototype屬性，該屬性會自動成為對象的原型鏈上的一環(huán)，上面的例子可以改寫為以下方式：

function Point(x, y) {
  this.x = x;
  this.y = y;
}

Point.prototype.distance = function(p) {
  var dx = this.x - p.x;
  var dy = this.y - p.y;
  return Math.sqrt(dx*dx + dy*dy);
}

...
var u = new Point(1, 2);
var v = new Point(3, 4);
var d = u.distance(v);

V8 同樣會把原型鏈上的方法在隱藏類中映射為 Constant Function 描述符，而調用原型方法往往會比調用自身方法慢一點，畢竟引擎不僅要去掃描自身的隱藏類，還要去掃描原型鏈上對象的隱藏類才能得知真正的函數(shù)調用地址。不過這個不會對于代碼的性能造成明顯的影響，因此寫代碼的時候也不必小心翼翼的避免這個。

對于復雜屬性的對象，V8 會使用所謂的字典模式（Dictionary Mode）來存儲對象，也就是使用哈希表來存放鍵值信息，這種方式存儲開銷會小于上文提到的包含了隱藏類的方式，不過查詢速度會遠小于前者。初始狀態(tài)下，哈希表中的所有的鍵與值都被設置為了undefined，當插入新的數(shù)據(jù)時，計算得出的鍵名的哈希值的低位會被當做初始的存儲索引地址。如果此地址已經被占用了，V8 會嘗試向下一個地址進行插入，直到插入成功，偽代碼表述如下：

// 插入
insert(table, key, value):
  table = ensureCapacity(table, length(table) + 1)
  code = hash(key)
  n = capacity(table)
  index = code (mod n)
  while getKey(table, index) is not undefined:
    index += 1 (mod n)
  set(table, index, key, value)

//查找
lookup(table, key):
  code = hash(key)
  n = capacity(table)
  index = code (mod n)
  k = getKey(table, index)
  while k is not null or undefined
        and k != key: 
    index += 1 (mod n)
    k = getKey(table, index)
  if k == key:
    return getValue(table, index)
  else:
    return undefined

盡管計算鍵名哈希值與比較的速度會比較快，但是每次讀寫屬性的時候都進行這么多步驟無疑會大大拉低速度，因此 V8 盡可能地會避免使用這種存儲方式。

V8 中將屬性名為非負整數(shù)（0、1、2……）的屬性稱為Element，每個對象都有一個指向Element數(shù)組的指針，其存放和其他屬性是分開的。注意，隱藏類中并不包含 Element 的描述符，但可能包含其它有著不同 Element 類型的同一種隱藏類的轉換描述符。大多數(shù)情況下，對象都會有 Fast Element，也就是說這些 Element 以連續(xù)數(shù)組的形式存放。有三種不同的 Fast Element：

Fast small integers

Fast doubles

Fast values

根據(jù)標準，JavaScript 中的所有數(shù)字都理應以64位浮點數(shù)形式出現(xiàn)。因此 V8 盡可能以31位帶符號整數(shù)來表達數(shù)字（最低位總是0，這有助于垃圾回收器區(qū)分數(shù)字和指針）。因此含有Fast small integers類型的對象，其 Element 類型只會包含這樣的數(shù)字。如果需要存儲小數(shù)、大整數(shù)或其他特殊值，如-0，則需要將數(shù)組提升為 Fast doubles。于是這引入了潛在的昂貴的復制-轉換操作，但通常不會頻繁發(fā)生。Fast doubles 仍然是很快的，因為所有的數(shù)字都是無封箱存儲的。但如果我們要存儲的是其他類型，比如字符串或者對象，則必須將其提升為普通的 Fast Element 數(shù)組。

JavaScript 不提供任何確定存儲元素多少的辦法。你可能會說像這樣的辦法，new Array(100)，但實際上這僅僅針對Array構造函數(shù)有用。如果你將值存在一個不存在的下標上，V8會重新開辟更大的內存，將原有元素復制到新內存。V8 可以處理帶空洞的數(shù)組，也就是只有某些下標是存有元素，而期間的下標都是空的。其內部會安插特殊的哨兵值，因此試圖訪問未賦值的下標，會得到undefined。當然，F(xiàn)ast Element 也有其限制。如果你在遠遠超過當前數(shù)組大小的下標賦值，V8 會將數(shù)組轉換為字典模式，將值以哈希表的形式存儲。這對于稀疏數(shù)組來說很有用，但性能上肯定打了折扣，無論是從轉換這一過程來說，還是從之后的訪問來說。如果你需要復制整個數(shù)組，不要逆向復制（索引從高到低），因為這幾乎必然觸發(fā)字典模式。

    // 這會大大降低大數(shù)組的性能
    function copy(a) {
        var b = new Array();
        for (var i = a.length - 1; i >= 0; i--)
            b[i] = a[i];
        return b;
    }

由于普通的屬性和數(shù)字式屬性分開存放，即使數(shù)組退化為字典模式，也不會影響到其他屬性的訪問速度（反之亦然）。

// https://v8docs.nodesource.com/node-7.2/d4/da0/v8_8h_source.html#l02660
class V8_EXPORT Object : public Value {
  public:
   V8_DEPRECATE_SOON("Use maybe version",
                     bool Set(Local key, Local value));
   V8_WARN_UNUSED_RESULT Maybe Set(Local context,
                                         Local key, Local value);
 
   V8_DEPRECATE_SOON("Use maybe version",
                     bool Set(uint32_t index, Local value));
   V8_WARN_UNUSED_RESULT Maybe Set(Local context, uint32_t index,
                                         Local value);
 
   // Implements CreateDataProperty (ECMA-262, 7.3.4).
   //
   // Defines a configurable, writable, enumerable property with the given value
   // on the object unless the property already exists and is not configurable
   // or the object is not extensible.
   //
   // Returns true on success.
   V8_WARN_UNUSED_RESULT Maybe CreateDataProperty(Local context,
                                                        Local key,
                                                        Local value);
   V8_WARN_UNUSED_RESULT Maybe CreateDataProperty(Local context,
                                                        uint32_t index,
                                                        Local value);
 
   // Implements DefineOwnProperty.
   //
   // In general, CreateDataProperty will be faster, however, does not allow
   // for specifying attributes.
   //
   // Returns true on success.
   V8_WARN_UNUSED_RESULT Maybe DefineOwnProperty(
       Local context, Local key, Local value,
       PropertyAttribute attributes = None);
 
   // Sets an own property on this object bypassing interceptors and
   // overriding accessors or read-only properties.
   //
   // Note that if the object has an interceptor the property will be set
   // locally, but since the interceptor takes precedence the local property
   // will only be returned if the interceptor doesn"t return a value.
   //
   // Note also that this only works for named properties.
   V8_DEPRECATED("Use CreateDataProperty / DefineOwnProperty",
                 bool ForceSet(Local key, Local value,
                               PropertyAttribute attribs = None));
   V8_DEPRECATE_SOON("Use CreateDataProperty / DefineOwnProperty",
                     Maybe ForceSet(Local context,
                                          Local key, Local value,
                                          PropertyAttribute attribs = None));
 
   V8_DEPRECATE_SOON("Use maybe version", Local Get(Local key));
   V8_WARN_UNUSED_RESULT MaybeLocal Get(Local context,
                                               Local key);
 
   V8_DEPRECATE_SOON("Use maybe version", Local Get(uint32_t index));
   V8_WARN_UNUSED_RESULT MaybeLocal Get(Local context,
                                               uint32_t index);
 
   V8_DEPRECATED("Use maybe version",
                 PropertyAttribute GetPropertyAttributes(Local key));
   V8_WARN_UNUSED_RESULT Maybe GetPropertyAttributes(
       Local context, Local key);
 
   V8_DEPRECATED("Use maybe version",
                 Local GetOwnPropertyDescriptor(Local key));
   V8_WARN_UNUSED_RESULT MaybeLocal GetOwnPropertyDescriptor(
       Local context, Local key);
 
   V8_DEPRECATE_SOON("Use maybe version", bool Has(Local key));
   V8_WARN_UNUSED_RESULT Maybe Has(Local context,
                                         Local key);
 
   V8_DEPRECATE_SOON("Use maybe version", bool Delete(Local key));
   // TODO(dcarney): mark V8_WARN_UNUSED_RESULT
   Maybe Delete(Local context, Local key);
 
   V8_DEPRECATED("Use maybe version", bool Has(uint32_t index));
   V8_WARN_UNUSED_RESULT Maybe Has(Local context, uint32_t index);
 
   V8_DEPRECATED("Use maybe version", bool Delete(uint32_t index));
   // TODO(dcarney): mark V8_WARN_UNUSED_RESULT
   Maybe Delete(Local context, uint32_t index);
 
   V8_DEPRECATED("Use maybe version",
                 bool SetAccessor(Local name,
                                  AccessorGetterCallback getter,
                                  AccessorSetterCallback setter = 0,
                                  Local data = Local(),
                                  AccessControl settings = DEFAULT,
                                  PropertyAttribute attribute = None));
   V8_DEPRECATED("Use maybe version",
                 bool SetAccessor(Local name,
                                  AccessorNameGetterCallback getter,
                                  AccessorNameSetterCallback setter = 0,
                                  Local data = Local(),
                                  AccessControl settings = DEFAULT,
                                  PropertyAttribute attribute = None));
   // TODO(dcarney): mark V8_WARN_UNUSED_RESULT
   Maybe SetAccessor(Local context, Local name,
                           AccessorNameGetterCallback getter,
                           AccessorNameSetterCallback setter = 0,
                           MaybeLocal data = MaybeLocal(),
                           AccessControl settings = DEFAULT,
                           PropertyAttribute attribute = None);
 
   void SetAccessorProperty(Local name, Local getter,
                            Local setter = Local(),
                            PropertyAttribute attribute = None,
                            AccessControl settings = DEFAULT);
 
   Maybe HasPrivate(Local context, Local key);
   Maybe SetPrivate(Local context, Local key,
                          Local value);
   Maybe DeletePrivate(Local context, Local key);
   MaybeLocal GetPrivate(Local context, Local key);
 
   V8_DEPRECATE_SOON("Use maybe version", Local GetPropertyNames());
   V8_WARN_UNUSED_RESULT MaybeLocal GetPropertyNames(
       Local context);
   V8_WARN_UNUSED_RESULT MaybeLocal GetPropertyNames(
       Local context, KeyCollectionMode mode,
       PropertyFilter property_filter, IndexFilter index_filter);
 
   V8_DEPRECATE_SOON("Use maybe version", Local GetOwnPropertyNames());
   V8_WARN_UNUSED_RESULT MaybeLocal GetOwnPropertyNames(
       Local context);
 
   V8_WARN_UNUSED_RESULT MaybeLocal GetOwnPropertyNames(
       Local context, PropertyFilter filter);
 
   Local GetPrototype();
 
   V8_DEPRECATED("Use maybe version", bool SetPrototype(Local prototype));
   V8_WARN_UNUSED_RESULT Maybe SetPrototype(Local context,
                                                  Local prototype);
 
   Local