JS `Inline Caching` (IC) `Polymorphic` 到 `Megamorphic` 状态的性能衰退曲线

各位靓仔靓女，晚上好！我是你们今晚的JS性能优化讲师，很高兴能和大家一起聊聊JavaScript的"内联缓存"(Inline Caching)从"多态"(Polymorphic)退化到"巨态"(Megamorphic)的性能衰退故事。这可不是什么恐怖故事，相反，理解了这个过程，能让我们写出更高效的JS代码，让你的老板对你刮目相看！

开场白：内联缓存是个啥？为啥重要？

在深入“多态”和“巨态”的坑之前，咱们先来简单认识一下"内联缓存"（Inline Caching，简称IC）。你可以把它想象成JavaScript引擎为了提高属性访问速度而偷偷搞的一个小抄本。

JavaScript是一门动态类型的语言，这意味着直到运行时，引擎才知道一个对象的属性到底是什么类型的。每次访问对象的属性，引擎都要进行类型查找，这很耗时。为了优化这个过程，V8、SpiderMonkey等JavaScript引擎引入了内联缓存。

简单来说，IC会缓存对象属性访问的类型信息和位置信息。下次再访问同一个属性时，引擎就不用重新查找，直接从缓存里拿，速度嗖嗖的！

单态（Monomorphic）：IC的蜜月期

当一个函数每次都接收相同类型的对象作为参数时，IC就能发挥出最大的威力。这种情况我们称之为“单态”(Monomorphic)。

举个例子：

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

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

getX(obj1); // 第一次调用，引擎会创建IC，记录obj.x是数字类型，并记录属性x的位置
getX(obj1); // 后续调用，直接从IC中读取，速度很快

在这个例子中，getX函数每次都接收具有相同结构（至少包含x属性，且x是数字类型）的对象。引擎只需要进行一次属性查找，并将结果缓存在IC中。后续调用就可以直接利用缓存，避免了重复查找，性能提升非常明显。 这就是IC的蜜月期，一切都是那么美好。

多态（Polymorphic）：开始出现裂痕

好景不长，当函数接收的对象类型开始变化时，IC的好日子就到头了。如果一个函数接收几种不同类型的对象，但类型数量不多（通常小于等于4），我们就称之为“多态”(Polymorphic)。

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

const obj1 = { x: 10, y: 20 };
const obj2 = { x: "hello", z: 40 }; // 注意：x变成了字符串
const obj3 = { x: true, w: 50 };    // 注意：x变成了布尔值

getX(obj1); // 第一次调用，引擎创建IC，记录obj.x是数字类型
getX(obj2); // 第二次调用，引擎发现obj.x是字符串类型，更新IC，记录字符串类型
getX(obj3); // 第三次调用，引擎发现obj.x是布尔类型，更新IC，记录布尔类型
getX(obj1); // 第四次调用，引擎发现obj.x是数字类型，更新IC，记录数字类型

在这个例子中，getX函数接收了三种不同类型的对象（x属性分别是数字、字符串和布尔值）。引擎需要多次更新IC，每次更新都会带来额外的开销。虽然IC仍然在工作，但效率已经大打折扣。

多态情况下，IC通常会使用“多态缓存”(Polymorphic Cache)，它可以存储多个类型的属性信息。但是，每次访问属性时，引擎都需要先检查缓存中是否存在匹配的类型，这比单态缓存要慢。

咱们用一个表格来对比一下单态和多态的性能差异：

状态	描述	性能	缓存类型
单态	函数只接收一种类型的对象	最佳	单态缓存
多态	函数接收少量几种类型的对象（通常小于等于4）	较好	多态缓存

巨态（Megamorphic）：IC的噩梦

当函数接收的对象类型变得非常多，多到IC无法有效缓存时，我们就进入了“巨态”(Megamorphic)状态。

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

const objArray = [];
for (let i = 0; i < 100; i++) {
  objArray.push({ x: i }); // 创建100个对象，x的值各不相同
}

for (let i = 0; i < 100; i++) {
  objArray.push({ x: "string" + i }); // 再创建100个对象，x的值是字符串
}

for (let i = 0; i < 200; i++) {
  getX(objArray[i]); // 调用getX函数，传入不同类型的对象
}

在这个例子中，getX函数接收了大量不同类型的对象。引擎无法有效地缓存这些类型信息，每次访问属性都需要进行完整的属性查找，性能急剧下降。 巨态是IC的噩梦，也是我们JS性能优化的重点关注对象。

巨态情况下，IC通常会退化成“完全缓存未命中”(Full Miss)，每次访问属性都需要进行完整的属性查找，相当于IC完全失效了。

再来看一个更贴近实际的例子，模拟一个数据处理的场景：

function processData(data) {
  return data.value * 2;
}

const data1 = { type: 'A', value: 10 };
const data2 = { type: 'B', value: '20' };
const data3 = { type: 'C', value: true };
const data4 = { type: 'D', value: {a:1} };
const data5 = { type: 'E', value: [1,2,3] };
const data6 = { type: 'F', value: null };

processData(data1); // 第一次调用，引擎尝试缓存 data.value 的类型
processData(data2); // 第二次调用，类型不匹配，引擎更新缓存
processData(data3); // 第三次调用，类型又不匹配，引擎再次更新缓存
processData(data4);
processData(data5);
processData(data6);
// ... 更多不同类型的 data

// 大量不同类型的数据导致processData函数进入巨态状态

在这个例子中，processData 函数接收各种不同类型的数据对象，导致 data.value 的类型频繁变化，最终使得 IC 失效。

性能衰退曲线：从天堂到地狱

我们可以用一张图来形象地描述IC的性能衰退过程：

[这里本应该是一张图，但是文字无法插入图片，所以只能用文字描述]

• 横轴： 函数接收的对象类型数量
• 纵轴： 属性访问速度

曲线大致如下：

1. 单态区域： 属性访问速度非常快，几乎是一条水平线。
2. 多态区域： 属性访问速度开始下降，但仍然可以接受。
3. 巨态区域： 属性访问速度急剧下降，几乎接近原始的属性查找速度。

如何避免进入巨态？

既然巨态如此可怕，我们该如何避免呢？以下是一些常用的技巧：

1. 保持对象形状一致： 尽量让函数接收的对象具有相同的属性和类型。这是避免多态和巨态的最有效方法。

   // 避免：
   const obj1 = { x: 10, y: 20 };
   const obj2 = { x: "hello", z: 40 };
   
   // 推荐：
   const obj1 = { x: 10, y: 20, z: null };
   const obj2 = { x: "hello", y: null, z: 40 };

2. 使用类型检查： 在函数内部进行类型检查，并针对不同类型的数据进行不同的处理。

   function processData(data) {
     if (typeof data.value === 'number') {
       return data.value * 2;
     } else if (typeof data.value === 'string') {
       return parseInt(data.value) * 2;
     } else {
       return 0; // 或者抛出错误
     }
   }

   虽然类型检查会增加一些代码复杂度，但可以避免IC退化到巨态，从而提高整体性能。

3. 使用工厂函数或类： 使用工厂函数或类来创建具有相同结构的对象。

   // 工厂函数
   function createPoint(x, y) {
     return { x: x, y: y };
   }
   
   const point1 = createPoint(10, 20);
   const point2 = createPoint(30, 40);
   
   // 类
   class Point {
     constructor(x, y) {
       this.x = x;
       this.y = y;
     }
   }
   
   const point3 = new Point(50, 60);
   const point4 = new Point(70, 80);

   通过工厂函数或类，我们可以确保创建的所有对象都具有相同的属性和类型，从而避免多态和巨态。

4. 避免频繁修改对象结构： 频繁地添加或删除对象的属性会导致IC失效。

   // 避免：
   const obj = { x: 10 };
   obj.y = 20; // 动态添加属性
   
   // 推荐：
   const obj = { x: 10, y: null }; // 预先定义所有属性
   obj.y = 20; // 修改属性值

5. 使用Typed Arrays： 如果你需要处理大量数字数据，可以考虑使用Typed Arrays。Typed Arrays是一种特殊的数组，它可以存储特定类型的数据，例如Int32Array、Float64Array等。使用Typed Arrays可以避免类型转换带来的性能开销。

   const numbers = new Float64Array(1000);
   for (let i = 0; i < 1000; i++) {
     numbers[i] = i * 0.1;
   }
   
   function sum(arr) {
     let total = 0;
     for (let i = 0; i < arr.length; i++) {
       total += arr[i];
     }
     return total;
   }
   
   const result = sum(numbers);

6. 利用工具进行分析： 现代浏览器都提供了强大的开发者工具，可以用来分析代码的性能瓶颈。 例如 Chrome DevTools 的 Performance 面板，可以帮助你找到导致 IC 退化的代码。

7. 谨慎使用 hasOwnProperty： 虽然 hasOwnProperty 是检查对象是否拥有自身属性的好方法，但频繁使用它可能会影响 IC。 如果可以，尽量避免在性能敏感的代码中使用 hasOwnProperty。

   // 避免：
   for (let key in obj) {
     if (obj.hasOwnProperty(key)) {
       // ...
     }
   }
   
   // 推荐：如果能确定对象拥有哪些属性，可以直接访问
   if (obj.x !== undefined) {
     // ...
   }

总结

内联缓存是JavaScript引擎为了优化属性访问而采用的一项重要技术。理解IC的工作原理，特别是它从单态、多态到巨态的性能衰退过程，对于编写高性能的JS代码至关重要。

通过保持对象形状一致、使用类型检查、使用工厂函数或类、避免频繁修改对象结构等技巧，我们可以有效地避免IC退化到巨态，从而提高代码的整体性能。

记住，优化是一个持续的过程，需要不断地学习和实践。希望今天的分享能帮助大家更好地理解JS性能优化，写出更高效的代码！

Q&A环节

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