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JS `Inline Caching` (IC) `Megamorphic` 状态的性能惩罚与避免

好的，各位观众老爷们，今天咱们来聊聊 JavaScript 引擎里的一个有点儿意思，又有点儿让人头疼的家伙——内联缓存（Inline Caching，简称 IC）的 Megamorphic 状态。这名字听着挺唬人，但其实原理不复杂，搞清楚了对写高性能的 JS 代码很有帮助。

开场白：别让你的JS跑得像蜗牛

想象一下，你写了一段 JS 代码，运行起来却慢得像蜗牛。你抓耳挠腮，想破脑袋也不知道问题出在哪。很有可能，罪魁祸首就是 IC 的 Megamorphic 状态。

JS 引擎为了提高性能，会使用各种各样的优化技术，其中 IC 就是一种很重要的优化手段。简单来说，IC 就是引擎会记住之前执行过的操作的信息，下次再遇到类似的操作时，直接利用之前的信息，避免重复计算，从而提高性能。

但是，如果 IC 缓存的信息太多太杂，反而会拖慢速度，这就是 Megamorphic 状态带来的问题。

什么是内联缓存（IC）？

首先，我们要理解 IC 的基本原理。JS 是一门动态类型的语言，这意味着变量的类型在运行时才能确定。每次访问对象的属性时，引擎都需要查找对象的结构，确定属性的位置。这很耗时。

IC 的核心思想是：记住对象属性的查找结果，下次直接用。

例如：

function getX(obj) {
  return obj.x;
}

let obj1 = { x: 10, y: 20 };
let obj2 = { x: 30, z: 40 };

console.log(getX(obj1)); // 第一次访问 obj1.x
console.log(getX(obj2)); // 第一次访问 obj2.x
console.log(getX(obj1)); // 第二次访问 obj1.x

第一次调用 getX(obj1) 时，引擎会查找 obj1 的结构，找到 x 属性的位置。然后，引擎会将这个信息缓存起来，下次再调用 getX(obj1) 时，可以直接从缓存中获取 x 属性的位置，避免重新查找。

这个缓存的信息通常是一个指向对象属性的指针，叫做 Hidden Class (隐藏类) 或 Structure ID。

IC 的状态：Monomorphic, Polymorphic, Megamorphic

IC 的状态描述了缓存的命中率和效率。主要有三种状态：

  • Monomorphic (单态): IC 只缓存了一种类型的对象。这是性能最好的状态。
  • Polymorphic (多态): IC 缓存了少数几种类型的对象。性能略有下降，但仍然可以接受。
  • Megamorphic (巨态): IC 缓存了大量的不同类型的对象。性能会显著下降，甚至比不使用 IC 还慢。

可以用一个表格来总结一下：

状态 缓存类型数量 性能 描述
Monomorphic 1 最佳 IC 只缓存一种类型的对象，查找速度最快。
Polymorphic 少数几种 较好 IC 缓存了少数几种类型的对象，查找速度稍慢，但仍然可以接受。
Megamorphic 大量 最差 IC 缓存了大量的不同类型的对象，每次查找都需要遍历整个缓存，速度非常慢，甚至比不使用 IC 还慢。

Megamorphic 状态的性能惩罚

当 IC 处于 Megamorphic 状态时，每次访问对象的属性，引擎都需要遍历大量的缓存信息，才能找到正确的属性位置。这会导致性能显著下降。

想象一下，你在一堆杂乱无章的文件里找东西，是不是很费劲？ Megamorphic 的 IC 就好比这堆杂乱无章的文件。

如何避免 Megamorphic 状态？

避免 Megamorphic 状态的关键在于：保持对象结构的稳定性和一致性。

以下是一些常用的技巧：

  1. 避免动态添加/删除属性：

    动态添加或删除属性会导致对象结构发生变化，从而破坏 IC 的缓存。

    function createPoint(x, y) {
  let obj = {};
  obj.x = x;
  obj.y = y;
  return obj;
}

let point1 = createPoint(10, 20);
let point2 = createPoint(30, 40);

point1.z = 50; // 动态添加属性，导致 point1 的结构发生变化

console.log(point1.x, point1.y, point1.z);
console.log(point2.x, point2.y);

    在这个例子中，point1 和 point2 最初的结构是一样的，但后来我们给 point1 动态添加了 z 属性，导致 point1 的结构发生了变化，从而破坏了 IC 的缓存。

    应该尽量避免这种动态添加属性的情况。如果需要添加属性，最好在对象创建时就定义好所有属性。

    function createPoint(x, y, z) {
  let obj = { x: x, y: y, z: z === undefined ? undefined : z }; //提前定义所有属性
  return obj;
}

let point1 = createPoint(10, 20, 50);
let point2 = createPoint(30, 40);

console.log(point1.x, point1.y, point1.z);
console.log(point2.x, point2.y, point2.z); //point2.z  undefined

  2. 保持对象属性的顺序一致：

    对象属性的顺序也会影响对象的结构。如果对象的属性顺序不一致，即使属性名相同，也会被认为是不同的对象类型。

    function createPoint(x, y) {
  return { x: x, y: y };
}

function createPoint2(y, x) {
  return { y: y, x: x };
}

let point1 = createPoint(10, 20);
let point2 = createPoint2(30, 40);

console.log(point1.x, point1.y);
console.log(point2.y, point2.x);

    在这个例子中，point1 和 point2 的属性名相同，但属性顺序不同，因此被认为是不同的对象类型。

    应该尽量保持对象属性的顺序一致。

  3. 使用构造函数或类：

    构造函数或类可以确保所有对象都具有相同的结构。

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

let point1 = new Point(10, 20);
let point2 = new Point(30, 40);

console.log(point1.x, point1.y);
console.log(point2.x, point2.y);

    在这个例子中，所有 Point 类的实例都具有相同的结构，可以避免 Megamorphic 状态。

  4. 避免使用 delete 操作符：

    delete 操作符会删除对象的属性，导致对象结构发生变化。

    let obj = { x: 10, y: 20 };
delete obj.x;
console.log(obj.y);

    应该尽量避免使用 delete 操作符。如果需要删除属性，可以将属性值设置为 null 或 undefined。

  5. 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，例如 Int32Array、Float64Array 等。类型化的数组可以避免存储不同类型的数据，从而提高性能。

    let arr = new Int32Array(10);
for (let i = 0; i < arr.length; i++) {
  arr[i] = i;
}
console.log(arr[5]);

  6. 避免使用 arguments 对象：

    arguments 对象是一个类数组对象，用于访问函数的所有参数。arguments 对象的性能通常比较差，因为它不是一个真正的数组，而且可能包含不同类型的数据。

    应该尽量避免使用 arguments 对象。可以使用剩余参数（rest parameters）来代替。

    function sum(...args) {
  let total = 0;
  for (let i = 0; i < args.length; i++) {
    total += args[i];
  }
  return total;
}

console.log(sum(1, 2, 3, 4, 5));

  7. 创建对象时，初始化所有属性，即使值为 undefined：

    function createObjectWithAllProperties(a,b,c){
   return {
       a: a || undefined,
       b: b || undefined,
       c: c || undefined
   }
}

let obj1 = createObjectWithAllProperties(1,2,3);
let obj2 = createObjectWithAllProperties(4,5);
let obj3 = createObjectWithAllProperties(6);

console.log(obj1.a,obj1.b,obj1.c);
console.log(obj2.a,obj2.b,obj2.c);
console.log(obj3.a,obj3.b,obj3.c);

    这段代码确保即使某些属性没有明确赋值，它们也会被初始化为 undefined，从而保持对象结构的统一性。

一些反例，让你更深刻理解

  • 不要写出这样的代码：

    function processData(data) {
  for (let i = 0; i < data.length; i++) {
    let item = data[i];
    if (i % 2 === 0) {
      item.type = 'even';
    } else {
      item.value = i;
    }
  }
}

let data1 = [{ name: 'A' }, { name: 'B' }, { name: 'C' }];
let data2 = [{ name: 'D' }, { name: 'E' }, { name: 'F' }];

processData(data1);
processData(data2);

    这段代码中，data1 和 data2 中的对象在 processData 函数中会被动态添加不同的属性，导致对象结构变得混乱，最终导致 Megamorphic 状态。

  • 另一个例子：

    function MyObject(a, b, c) {
  this.a = a;
  this.b = b;
  this.c = c;
}

let obj1 = new MyObject(1, 2, 3);
let obj2 = new MyObject(4, 5); // 少传一个参数

console.log(obj1.a, obj1.b, obj1.c);
console.log(obj2.a, obj2.b, obj2.c); // obj2.c 是 undefined

    尽管使用了构造函数，但由于 obj2 少传了一个参数，导致 obj2.c 是 undefined，从而导致 obj1 和 obj2 的结构不同，增加了 Megamorphic 的风险。 更好的做法是在构造函数中处理默认值。

总结：防微杜渐，高性能JS的关键

避免 IC 的 Megamorphic 状态需要良好的编程习惯和对 JS 引擎优化机制的理解。记住，保持对象结构的稳定性和一致性是关键。

希望今天的讲解对你有所帮助。下次写 JS 代码的时候，记得多留意一下对象的结构，避免让你的代码跑得像蜗牛。

彩蛋：如何检测 Megamorphic 状态？

虽然 JS 引擎内部的优化细节我们无法直接访问，但可以通过一些工具来间接检测 Megamorphic 状态。

  • Chrome DevTools Performance 面板： 可以查看函数的执行时间和内存分配情况，如果发现某个函数的执行时间异常长，或者内存分配量很大，可能就是 Megamorphic 状态导致的。
  • V8 的 --trace-opt 和 --trace-deopt 标志： 可以输出 V8 引擎的优化和反优化信息，从而了解 IC 的状态。 但这需要你运行 Node.js 或 Chrome with specific flags.

这些工具的使用比较复杂，需要一定的经验才能分析出结果。但了解它们的存在，可以帮助你更好地理解 JS 引擎的优化机制。

好了，今天的讲座就到这里。感谢大家的收听！ 下次再见！

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