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JS 对象内存布局与原型链查找性能优化

各位靓仔靓女们，晚上好！我是今晚的内存结构大师（自封的），今天要跟大家聊聊JavaScript对象内存布局和原型链查找性能优化，保证你们听完之后，写出来的代码不仅跑得飞快，还能让面试官眼前一亮，觉得你是个深藏不露的宝藏！

开场白：JavaScript对象，你真的了解吗？

咱们写JavaScript，天天跟对象打交道。对象嘛，说白了就是一堆键值对的集合。但是，你知道这些键值对在内存里是怎么放的吗？原型链又是怎么工作的？性能瓶颈又在哪里？别慌，今天咱们就来扒一扒它的底裤，啊不，是底层！

第一部分：JavaScript对象的内存布局

JavaScript引擎有很多，比如V8（Chrome和Node.js用的）、SpiderMonkey（Firefox用的）等等。它们对对象的内存布局优化方式也不尽相同。咱们这里以V8为例，因为它相对比较常见，而且优化手段也比较经典。

V8把对象分成两种：

  • SMI (Small Integer)： 小整数，直接用31位存储整数值，1位用来做标记。这种对象不需要单独分配内存，速度飞快。
  • HeapObject： 所有不是SMI的对象，包括普通对象、数组、函数等等，都需要在堆内存中分配空间。

HeapObject 又可以细分为：

  • JSObject： 普通的JavaScript对象。
  • JSArray： JavaScript数组。
  • JSFunction： JavaScript函数。
  • …还有很多，就不一一列举了。

JSObject的内存结构：

简单来说，JSObject的内存布局可以分为两部分：

  1. Properties (属性)： 存储对象的属性，也就是键值对。
  2. Hidden Class (隐藏类)： 存储对象的结构信息，比如属性的名称、类型、偏移量等等。

Properties的存储方式：

V8对Properties的存储做了很多优化，主要分为两种：

  • In-object Properties： 直接存储在对象本身的内存空间中。这种方式速度最快，但是空间有限。
  • Out-of-object Properties： 存储在单独的内存空间中，对象本身只保存一个指向这个空间的指针。这种方式可以存储更多的属性，但是速度相对慢一些。

Hidden Class的作用：

Hidden Class是V8性能优化的关键。它类似于Java或C++中的类，但是更加灵活。

  • 类型推断： Hidden Class可以帮助V8推断对象的类型，从而进行优化。
  • 属性查找： Hidden Class存储了属性的偏移量，V8可以直接通过偏移量访问属性，而不需要遍历对象的所有属性。
  • 共享结构： 多个结构相同的对象可以共享同一个Hidden Class，节省内存。

代码示例：

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

const p1 = new Point(1, 2);
const p2 = new Point(3, 4);

在这个例子中，p1和p2的结构相同，V8会为它们创建同一个Hidden Class。Hidden Class会记录x和y的偏移量，比如x的偏移量是4，y的偏移量是8。当V8访问p1.x时，它可以直接通过p1的地址加上偏移量4来找到x的值，而不需要遍历p1的所有属性。

表格总结：

概念 描述
SMI 小整数，直接存储在变量中，不需要额外的内存分配。
HeapObject 所有不是SMI的对象，需要在堆内存中分配空间。
In-object Properties 直接存储在对象本身的内存空间中，速度快，空间有限。
Out-of-object Properties 存储在单独的内存空间中，对象本身只保存一个指针，空间大，速度慢。
Hidden Class 存储对象的结构信息，用于类型推断、属性查找和共享结构。

第二部分：原型链查找

JavaScript是一门基于原型的语言。每个对象都有一个原型对象，原型对象又有自己的原型对象，以此类推，形成一个原型链。当我们访问一个对象的属性时，如果对象本身没有这个属性，JavaScript引擎就会沿着原型链向上查找，直到找到该属性或者到达原型链的顶端（null）。

原型链的查找过程：

  1. 检查对象本身是否具有该属性。如果有，直接返回。
  2. 如果没有，检查对象的原型对象是否具有该属性。如果有，返回原型对象上的属性。
  3. 如果原型对象也没有，继续向上查找，直到找到该属性或者到达原型链的顶端。

代码示例：

function Animal(name) {
  this.name = name;
}

Animal.prototype.sayHello = function() {
  console.log("Hello, I'm " + this.name);
};

function Dog(name, breed) {
  Animal.call(this, name);
  this.breed = breed;
}

Dog.prototype = Object.create(Animal.prototype);
Dog.prototype.constructor = Dog;

const dog = new Dog("Buddy", "Golden Retriever");
dog.sayHello(); // "Hello, I'm Buddy"

在这个例子中，dog对象本身没有sayHello方法，但是它可以通过原型链找到Animal.prototype.sayHello方法并执行。

原型链查找的性能问题：

原型链查找是一个耗时的操作。如果原型链很长，或者频繁地访问原型链上的属性，就会影响性能。

第三部分：性能优化策略

既然我们知道了JavaScript对象在内存里是怎么放的，原型链又是怎么工作的，那就可以针对性地进行优化了。

1. 避免创建不必要的对象：

创建对象会消耗内存和时间。如果可以避免创建不必要的对象，就可以提高性能。

  • 使用字面量创建对象： 字面量创建对象比使用new关键字创建对象更快。

    // Bad
const obj = new Object();
obj.x = 1;
obj.y = 2;

// Good
const obj = { x: 1, y: 2 };

  • 重用对象： 如果多个地方需要使用相同的对象，可以重用同一个对象，而不是每次都创建一个新的对象。

2. 避免频繁访问原型链上的属性：

原型链查找是一个耗时的操作。如果可以避免频繁访问原型链上的属性，就可以提高性能。

  • 将原型链上的属性缓存到对象本身： 如果需要频繁访问原型链上的属性，可以将该属性缓存到对象本身，避免每次都进行原型链查找。

    function MyComponent() {
  this.handleClick = this.handleClick.bind(this); // 避免每次都从原型链上查找bind方法
}

MyComponent.prototype.handleClick = function() {
  // ...
};

  • 使用局部变量缓存原型链上的对象： 如果需要频繁访问原型链上的某个对象，可以使用局部变量缓存该对象，避免每次都进行原型链查找。

    function MyComponent() {
  const proto = MyComponent.prototype; // 缓存原型对象
  this.handleClick = function() {
    proto.handleClick.call(this); // 避免每次都从原型链上查找handleClick方法
  };
}

MyComponent.prototype.handleClick = function() {
  // ...
};

3. 避免修改对象的结构：

修改对象的结构会导致V8重新创建Hidden Class，影响性能。

  • 在构造函数中初始化所有属性： 在构造函数中初始化所有属性可以避免在对象创建之后修改对象的结构。

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

const p = new Point(1, 2); // Good: 在构造函数中初始化了所有属性

// Bad: 在对象创建之后添加属性
const p2 = {};
p2.x = 1;
p2.y = 2;

  • 使用相同的顺序添加属性： 如果需要动态地添加属性，尽量使用相同的顺序添加属性，避免V8创建多个Hidden Class。

    // Good: 使用相同的顺序添加属性
const p1 = {};
p1.x = 1;
p1.y = 2;

const p2 = {};
p2.x = 3;
p2.y = 4;

// Bad: 使用不同的顺序添加属性
const p3 = {};
p3.x = 5;
p3.y = 6;

const p4 = {};
p4.y = 7;
p4.x = 8;

4. 使用类型化的数组：

类型化的数组可以存储特定类型的数据，比如Int32Array、Float64Array等等。类型化的数组比普通的JavaScript数组更节省内存，而且访问速度更快。

// Good: 使用类型化的数组
const arr = new Int32Array(10);

// Bad: 使用普通的JavaScript数组
const arr2 = new Array(10);

5. 使用 Map 和 Set：

ES6 引入了 Map 和 Set 两种新的数据结构。Map 可以存储键值对，Set 可以存储唯一的值。Map 和 Set 的查找速度比普通的JavaScript对象更快。

// Good: 使用 Map
const map = new Map();
map.set("name", "John");
map.set("age", 30);

// Good: 使用 Set
const set = new Set();
set.add(1);
set.add(2);

6. 避免使用 with 语句：

with 语句会创建一个新的作用域，影响性能。应该避免使用 with 语句。

// Bad: 使用 with 语句
const obj = { x: 1, y: 2 };
with (obj) {
  console.log(x + y); // 3
}

// Good: 不使用 with 语句
const obj = { x: 1, y: 2 };
console.log(obj.x + obj.y); // 3

7. 避免使用 eval 函数：

eval 函数会执行字符串中的JavaScript代码，影响性能。应该避免使用 eval 函数。

// Bad: 使用 eval 函数
const str = "1 + 2";
const result = eval(str); // 3

// Good: 不使用 eval 函数
const result = 1 + 2; // 3

8. 利用浏览器提供的性能分析工具：

Chrome DevTools 和 Firefox Developer Tools 都提供了强大的性能分析工具，可以帮助我们分析代码的性能瓶颈，从而进行优化。

9. 代码示例：优化原型链查找

假设我们有一个场景，需要频繁访问一个对象的toString方法。

function MyObject() {}

MyObject.prototype.toString = function() {
  return "[object MyObject]";
};

const obj = new MyObject();

// 频繁访问 toString 方法
for (let i = 0; i < 1000000; i++) {
  obj.toString();
}

优化后的代码：

function MyObject() {}

MyObject.prototype.toString = function() {
  return "[object MyObject]";
};

const obj = new MyObject();

// 缓存 toString 方法
const toString = obj.toString;

// 频繁访问 toString 方法
for (let i = 0; i < 1000000; i++) {
  toString.call(obj);
}

通过将toString方法缓存到局部变量，我们可以避免每次都进行原型链查找，从而提高性能。

表格总结：性能优化策略

策略 描述
避免创建不必要的对象 使用字面量创建对象，重用对象。
避免频繁访问原型链上的属性 将原型链上的属性缓存到对象本身，使用局部变量缓存原型链上的对象。
避免修改对象的结构 在构造函数中初始化所有属性，使用相同的顺序添加属性。
使用类型化的数组 使用Int32Array、Float64Array等类型化的数组，节省内存，提高访问速度。
使用 Map 和 Set 使用 Map 和 Set 存储键值对和唯一的值，查找速度比普通的JavaScript对象更快。
避免使用 with 语句 with 语句会创建一个新的作用域，影响性能。
避免使用 eval 函数 eval 函数会执行字符串中的JavaScript代码，影响性能。
利用浏览器提供的性能分析工具 Chrome DevTools 和 Firefox Developer Tools 都提供了强大的性能分析工具，可以帮助我们分析代码的性能瓶颈，从而进行优化。

总结：

JavaScript对象的内存布局和原型链查找是影响性能的重要因素。通过了解它们的底层原理，并采取相应的优化策略，我们可以编写出更高效的JavaScript代码。记住，性能优化是一个持续的过程，需要不断地学习和实践。

希望今天的讲座对大家有所帮助！下次再见！

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