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JavaScript内核与高级编程之：`JavaScript`的`WeakMap`：其在`Map`和`Set`中的性能对比。

各位靓仔靓女们，晚上好！我是你们今晚的JavaScript性能优化小助手。咱们今晚的主题是——WeakMap这货，以及它在Map和Set面前的性能表现。咱们不搞那些虚头巴脑的概念，直接上干货，用代码说话，争取让大家听完之后，腰不酸了，腿不疼了，写代码更有劲儿了！

开场白：WeakMap是啥？为啥我们需要它？

首先，咱们先来聊聊WeakMap这玩意儿。 你可能已经听说过Map，它允许你存储键值对，键可以是任何类型。 但是，Map有一个问题：如果你把一个对象作为键存储在Map里，那么只要这个Map还存在，这个对象就不会被垃圾回收。 这就好比你把一个朋友锁在房间里，除非你把房间拆了，否则你朋友就出不来。

WeakMap就是来解决这个问题的。 它的键必须是对象，而且是“弱引用”的。 啥叫弱引用？ 简单来说，就是垃圾回收器（GC）如果发现一个对象只被WeakMap引用，那么它就可以毫不犹豫地把这个对象回收掉。 也就是说，WeakMap不会阻止垃圾回收器回收键对象。 这就像你租了一个房子，就算房东还在，你也可以随时搬走，房东不会强留你。

所以，WeakMap特别适合用来存储对象的元数据，比如对象的私有属性、事件监听器等等。 这些数据和对象本身是紧密相关的，但是又不希望阻止对象的垃圾回收。

Map、Set和WeakMap的基本用法对比

在深入性能之前，咱们先快速回顾一下Map、Set和WeakMap的基本用法，确保大家都在同一个频道上。

  • Map (键值对存储)

    const myMap = new Map();

const key1 = {};
const key2 = { name: "Alice" };

myMap.set(key1, "Value for key1");
myMap.set(key2, "Value for key2");

console.log(myMap.get(key1)); // 输出: Value for key1
console.log(myMap.has(key2)); // 输出: true
console.log(myMap.size);      // 输出: 2

myMap.delete(key1);
console.log(myMap.size);      // 输出: 1

myMap.clear();
console.log(myMap.size);      // 输出: 0

  • Set (唯一值集合)

    const mySet = new Set();

mySet.add(1);
mySet.add(2);
mySet.add(1); // 重复添加，Set 会忽略

console.log(mySet.has(1)); // 输出: true
console.log(mySet.size);  // 输出: 2

mySet.delete(2);
console.log(mySet.size);  // 输出: 1

mySet.clear();
console.log(mySet.size);  // 输出: 0

  • WeakMap (弱引用键值对存储)

    const myWeakMap = new WeakMap();

const key1 = {};
const key2 = { name: "Bob" };

myWeakMap.set(key1, "Value for key1");
myWeakMap.set(key2, "Value for key2");

console.log(myWeakMap.get(key1)); // 输出: Value for key1
console.log(myWeakMap.has(key2)); // 输出: true

// 没有 size 属性！  WeakMap 无法知道有多少键值对存在，因为键可能已经被垃圾回收了。
// myWeakMap.size  // TypeError: myWeakMap.size is not a function

key1 = null; // key1 不再被引用，下次垃圾回收时可能会被回收
// 之后再访问 myWeakMap.get(key1) 可能会返回 undefined

性能对比：Map vs WeakMap vs Set

现在，咱们进入正题：性能对比。 咱们主要关注以下几个方面：

  1. 插入性能 (Insertion)
  2. 查找性能 (Lookup)
  3. 删除性能 (Deletion)
  4. 内存占用 (Memory Footprint)
  5. 垃圾回收 (Garbage Collection)

为了公平起见，咱们会用大量的随机数据进行测试，并且多次运行取平均值，尽量减少偶然因素的影响。

测试环境说明：

  • JavaScript 引擎：V8 (Chrome/Node.js)
  • 数据量：10000, 100000, 1000000
  • 测试方法：使用 console.time() 和 console.timeEnd() 测量操作时间，并进行多次迭代取平均值。

1. 插入性能 (Insertion)

function testInsertion(size) {
  const map = new Map();
  const weakMap = new WeakMap();
  const set = new Set();

  const keys = [];
  for (let i = 0; i < size; i++) {
    keys.push({ id: i }); // 创建唯一的对象作为键
  }

  // Map Insertion
  console.time(`Map Insertion (${size})`);
  for (let i = 0; i < size; i++) {
    map.set(keys[i], i);
  }
  console.timeEnd(`Map Insertion (${size})`);

  // WeakMap Insertion
  console.time(`WeakMap Insertion (${size})`);
  for (let i = 0; i < size; i++) {
    weakMap.set(keys[i], i);
  }
  console.timeEnd(`WeakMap Insertion (${size})`);

  // Set Insertion
  console.time(`Set Insertion (${size})`);
  for (let i = 0; i < size; i++) {
    set.add(keys[i]);
  }
  console.timeEnd(`Set Insertion (${size})`);
}

testInsertion(10000);
testInsertion(100000);
testInsertion(1000000);

预期结果：

一般来说，Map 和 Set 的插入性能会比较接近，因为它们都需要维护一个哈希表来存储键值对或值。 WeakMap 的插入性能可能会稍微快一些，因为它不需要维护对键的强引用。

2. 查找性能 (Lookup)

function testLookup(size) {
    const map = new Map();
    const weakMap = new WeakMap();
    const set = new Set();

    const keys = [];
    for (let i = 0; i < size; i++) {
        keys.push({ id: i }); // 创建唯一的对象作为键
        map.set(keys[i], i);
        weakMap.set(keys[i], i);
        set.add(keys[i]);
    }

    // Map Lookup
    console.time(`Map Lookup (${size})`);
    for (let i = 0; i < size; i++) {
        map.get(keys[i]);
    }
    console.timeEnd(`Map Lookup (${size})`);

    // WeakMap Lookup
    console.time(`WeakMap Lookup (${size})`);
    for (let i = 0; i < size; i++) {
        weakMap.get(keys[i]);
    }
    console.timeEnd(`WeakMap Lookup (${size})`);

    // Set Lookup (using has)
    console.time(`Set Lookup (${size})`);
    for (let i = 0; i < size; i++) {
        set.has(keys[i]);
    }
    console.timeEnd(`Set Lookup (${size})`);
}

testLookup(10000);
testLookup(100000);
testLookup(1000000);

预期结果：

Map、WeakMap 和 Set 的查找性能通常都非常快，因为它们都使用哈希表来实现。 理论上，它们的查找时间复杂度都是 O(1)。 但是，在实际测试中，可能会有一些细微的差别，这取决于 JavaScript 引擎的实现细节。

3. 删除性能 (Deletion)

function testDeletion(size) {
    const map = new Map();
    const weakMap = new WeakMap();
    const set = new Set();

    const keys = [];
    for (let i = 0; i < size; i++) {
        keys.push({ id: i }); // 创建唯一的对象作为键
        map.set(keys[i], i);
        weakMap.set(keys[i], i);
        set.add(keys[i]);
    }

    // Map Deletion
    console.time(`Map Deletion (${size})`);
    for (let i = 0; i < size; i++) {
        map.delete(keys[i]);
    }
    console.timeEnd(`Map Deletion (${size})`);

    // WeakMap Deletion (无法直接删除，因为没有 keys() 方法)
    // 只能通过让键对象失去引用，等待垃圾回收器回收
    console.time(`WeakMap Deletion (${size}) - Indirect`);
    for (let i = 0; i < size; i++) {
        keys[i] = null; // 让键对象失去引用
    }
    console.timeEnd(`WeakMap Deletion (${size}) - Indirect`);

    // Set Deletion
    console.time(`Set Deletion (${size})`);
    for (let i = 0; i < size; i++) {
        set.delete(keys[i]);
    }
    console.timeEnd(`Set Deletion (${size})`);
}

testDeletion(10000);
testDeletion(100000);
testDeletion(1000000);

预期结果：

Map 和 Set 的删除性能应该比较接近，因为它们都需要从哈希表中移除键值对或值。 WeakMap 没有直接的删除方法，只能通过让键对象失去引用，等待垃圾回收器回收。 因此，WeakMap 的删除性能无法直接测量，但是它对垃圾回收的影响是值得关注的。

4. 内存占用 (Memory Footprint)

内存占用是一个非常重要的性能指标。 Map 和 Set 会保持对键的强引用，这意味着它们会阻止垃圾回收器回收键对象，从而导致内存泄漏。 WeakMap 不会保持对键的强引用，因此它可以避免内存泄漏。

测试方法：

可以使用浏览器的开发者工具或者 Node.js 的 process.memoryUsage() 来测量内存占用。 但是，准确测量内存占用非常困难，因为垃圾回收器的行为是不确定的。

预期结果：

当存储大量对象时，Map 和 Set 的内存占用会明显高于 WeakMap。 这是因为 Map 和 Set 会阻止垃圾回收器回收键对象，而 WeakMap 不会。

5. 垃圾回收 (Garbage Collection)

WeakMap 的最大优势在于它对垃圾回收的影响。 当键对象不再被其他对象引用时，垃圾回收器可以回收它们，即使它们仍然存在于 WeakMap 中。 这可以有效地防止内存泄漏。

测试方法：

可以使用浏览器的开发者工具或者 Node.js 的 --expose-gc 选项来手动触发垃圾回收。 然后，观察内存占用情况。

预期结果：

使用 WeakMap 时，垃圾回收器可以更有效地回收不再使用的键对象，从而减少内存占用。

综合性能对比表格

特性 Map Set WeakMap
键类型 任意类型 任意类型 对象
值类型 任意类型 无 (只有键) 任意类型
插入性能 较快 较快 较快
查找性能 非常快 (O(1)) 非常快 (O(1)) 非常快 (O(1))
删除性能 较快 较快 间接 (依赖垃圾回收)
内存占用 较高 (阻止垃圾回收) 较高 (阻止垃圾回收) 较低 (允许垃圾回收)
垃圾回收 影响垃圾回收，可能导致内存泄漏 影响垃圾回收，可能导致内存泄漏 不影响垃圾回收，防止内存泄漏
size 属性 有 有 无
迭代器 有 (可以迭代键、值或键值对) 有 (可以迭代值) 无
应用场景 常规的键值对存储 存储唯一值集合 存储对象的元数据，避免内存泄漏

总结：WeakMap 的优势和适用场景

WeakMap 并不是万能的，它也有自己的局限性。 由于 WeakMap 的键必须是对象，并且没有 size 属性和迭代器，因此它不适合用于存储大量简单的键值对，或者需要遍历键值对的场景。

但是，在以下场景中，WeakMap 可以发挥巨大的作用：

  • 存储对象的私有属性： 可以使用 WeakMap 来存储对象的私有属性，避免污染对象的命名空间，并且可以防止外部访问这些私有属性。

    const _counter = new WeakMap();

class Counter {
  constructor() {
    _counter.set(this, 0); // 初始化私有计数器
  }

  increment() {
    const currentCount = _counter.get(this);
    _counter.set(this, currentCount + 1);
  }

  getCount() {
    return _counter.get(this);
  }
}

const myCounter = new Counter();
myCounter.increment();
console.log(myCounter.getCount()); // 输出: 1

// 无法直接访问 _counter，实现了私有属性

  • 存储 DOM 元素的元数据： 可以使用 WeakMap 来存储 DOM 元素的元数据，比如事件监听器、样式等等。 当 DOM 元素被移除时，WeakMap 中存储的元数据也会自动被垃圾回收，避免内存泄漏。

    const elementData = new WeakMap();

const myElement = document.createElement('div');
elementData.set(myElement, { eventListeners: [] });

// 当 myElement 从 DOM 中移除时，elementData 中存储的元数据也会被垃圾回收

  • 实现缓存： 可以使用 WeakMap 来实现缓存，缓存键是对象，缓存值是计算结果。 当键对象不再被其他对象引用时，缓存也会自动失效，避免缓存过期问题。

    const cache = new WeakMap();

function expensiveCalculation(obj) {
  if (cache.has(obj)) {
    return cache.get(obj); // 从缓存中获取
  }

  // 进行耗时的计算
  const result = obj.value * 2;
  cache.set(obj, result); // 缓存结果
  return result;
}

const myObject = { value: 10 };
console.log(expensiveCalculation(myObject)); // 输出: 20 (计算并缓存)
console.log(expensiveCalculation(myObject)); // 输出: 20 (从缓存中获取)

// 当 myObject 不再被引用时，缓存也会失效

总结陈词：选择合适的工具

总而言之，Map、Set 和 WeakMap 都是非常有用的数据结构，它们各有优缺点，适用于不同的场景。 在选择使用哪种数据结构时，需要根据具体的应用场景进行权衡，选择最合适的工具。

希望今天的讲座能够帮助大家更好地理解 WeakMap，并且能够在实际开发中灵活运用它，写出更高效、更健壮的 JavaScript 代码。 感谢大家的聆听！ 如果大家还有什么问题，欢迎提问。 今晚就到这里，祝大家编码愉快，早日成为技术大牛！

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