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JavaScript内核与高级编程之：`V8`的隐藏类（`Hidden Class`）：如何优化对象属性的访问。

各位观众老爷们，大家好！我是今天的主讲人，江湖人称“代码段子手”。今天咱们不讲段子，讲点正经的，聊聊V8引擎里的一个神秘组织——隐藏类（Hidden Class）。这玩意儿听起来高深莫测，但实际上跟咱们平时写代码息息相关，能让你的JavaScript跑得更快，就像嗑了药一样（当然，我们不提倡嗑药）。

咱们今天的主题是：V8的隐藏类（Hidden Class）：如何优化对象属性的访问。

开场白：JavaScript对象，你了解多少？

JavaScript里的对象，那可是万物皆可对象。你以为的字符串、数字，背后都隐藏着一个对象的身影。对象就像一个百宝箱，里面装着各种各样的属性（properties）。而我们访问这些属性的方式，决定了程序运行的效率。

const obj = {
  x: 10,
  y: 20,
  z: 30
};

console.log(obj.x); // 访问属性x

这行代码看起来简单，但V8引擎背后可没闲着，它要做很多事情才能找到obj.x对应的值。如果没有优化，每次访问都要查表、搜索，那效率就太低了。

第一幕：隐藏类登场！什么是隐藏类？

为了解决这个问题，V8引擎引入了“隐藏类”这个概念。你可以把隐藏类想象成一个“属性结构图”，它描述了对象属性的类型、顺序和内存偏移量。

  • 类型： 属性是整数、浮点数、字符串还是其他对象？
  • 顺序： 属性在对象内存中的排列顺序。
  • 内存偏移量： 属性值相对于对象起始地址的偏移量。

每个对象都会关联一个隐藏类，V8会尽量让结构相同的对象共享同一个隐藏类。这样，在访问属性时，V8可以直接通过隐藏类找到属性的位置，避免了每次都查表的开销。

第二幕：隐藏类的工作原理

咱们用一个例子来详细说明隐藏类的工作原理。

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

const p1 = new Point(10, 20);
const p2 = new Point(30, 40);

  1. 第一次创建对象（p1）：

    • V8发现这是一个新的对象结构（Point），于是创建一个新的隐藏类C0。
    • C0是空的，表示这个对象没有任何属性。
    • 当执行this.x = x;时，V8会创建一个新的隐藏类C1。
    • C1继承自C0，并添加了属性x的信息（类型、偏移量）。
    • p1现在指向C1，对象内存中存储了x的值。
    • 当执行this.y = y;时，V8又会创建一个新的隐藏类C2。
    • C2继承自C1，并添加了属性y的信息。
    • p1现在指向C2，对象内存中存储了x和y的值。

  2. 第二次创建对象（p2）：

    • V8发现已经存在一个结构相同的隐藏类序列（C0 -> C1 -> C2）。
    • p2直接共享这个隐藏类序列。
    • 执行this.x = x;时，p2指向C1，并存储x的值。
    • 执行this.y = y;时，p2指向C2，并存储y的值。

这样，p1和p2都共享了相同的隐藏类序列，访问p1.x和p2.x时，V8可以直接通过C1找到x的位置，而不需要重新查找。

第三幕：隐藏类的演变（Transition）

对象的属性结构并不是一成不变的，它可能会随着代码的执行而发生变化。当对象的属性结构发生变化时，V8会创建一个新的隐藏类，并将对象指向新的隐藏类。这个过程叫做“Transition”。

const obj = {}; // 初始对象，隐藏类C0 (empty)

obj.x = 10; // 添加属性x，对象指向C1 (x)

obj.y = 20; // 添加属性y，对象指向C2 (x, y)

delete obj.x; // 删除属性x，对象指向C3 (y)

在这个例子中，obj经历了多次Transition：

  • C0 -> C1: 添加属性x。
  • C1 -> C2: 添加属性y。
  • C2 -> C3: 删除属性x。

每次Transition都会创建一个新的隐藏类，这会带来一定的开销。如果Transition过于频繁，反而会降低性能。

第四幕：隐藏类的优化技巧

既然隐藏类对性能如此重要，那么我们该如何利用它来优化代码呢？

  1. 避免“Shape”的变化：

    尽量保持对象的属性结构一致。不要随意添加、删除属性，或者改变属性的类型。

    // 糟糕的代码，属性结构不一致
const obj1 = { x: 10, y: 20 };
const obj2 = { y: 20, x: 10 }; // 属性顺序不同

// 更好的代码，属性结构一致
const obj3 = { x: 10, y: 20 };
const obj4 = { x: 30, y: 40 };

    原因: 属性顺序不同会导致创建不同的隐藏类序列，无法共享隐藏类，降低性能。

    //更糟糕的代码，属性类型不一致
const obj5 = {x:10};
const obj6 = {x:"hello"};

    原因: 属性类型不同也会导致创建不同的隐藏类序列，无法共享隐藏类。

  2. 预先声明所有属性：

    在创建对象时，就声明所有需要的属性，避免后续的动态添加。

    // 糟糕的代码，动态添加属性
const obj = {};
obj.x = 10;
obj.y = 20;

// 更好的代码，预先声明属性
const obj2 = { x: undefined, y: undefined };
obj2.x = 10;
obj2.y = 20;

//或者

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

const obj3 = createObject(10,20);

    原因: 动态添加属性会导致频繁的Transition，降低性能。预先声明可以一次性确定对象的属性结构，避免多次Transition。即使初始值为undefined，也能保证属性结构的一致性。

  3. 使用构造函数：

    构造函数可以更好地定义对象的属性结构，让V8更容易创建和共享隐藏类。

    // 糟糕的代码，直接创建对象
const obj1 = { x: 10, y: 20 };
const obj2 = { x: 30, y: 40 };

// 更好的代码，使用构造函数
function Point(x, y) {
  this.x = x;
  this.y = y;
}

const p1 = new Point(10, 20);
const p2 = new Point(30, 40);

    原因: 构造函数可以明确地定义对象的属性结构，V8更容易为Point类型的对象创建和共享隐藏类。

  4. 避免删除属性：

    删除属性会导致对象的属性结构发生变化，触发Transition。尽量避免删除属性，如果确实不需要某个属性，可以将其设置为null或undefined。

    // 糟糕的代码，删除属性
const obj = { x: 10, y: 20 };
delete obj.x;

// 更好的代码，设置为null
const obj2 = { x: 10, y: 20 };
obj2.x = null;

    原因: 删除属性会导致Transition，降低性能。设置为null或undefined可以保持对象的属性结构不变。

  5. 保持属性类型稳定：

    尽量避免改变属性的类型。如果一个属性一开始是数字类型，就不要把它改成字符串类型。

    // 糟糕的代码，属性类型改变
const obj = { x: 10 };
obj.x = "hello"; // 类型从数字变为字符串

// 更好的代码，保持类型稳定
const obj2 = { x: 10 };
// ...

    原因: 属性类型改变会导致Transition，降低性能。

第五幕：实战演练

咱们来做一个简单的性能对比测试，看看使用隐藏类优化技巧的效果。

// 未优化的代码
function createPoint1(x, y) {
  const obj = {};
  obj.x = x;
  obj.y = y;
  return obj;
}

// 优化的代码
function Point2(x, y) {
  this.x = x;
  this.y = y;
}

function testPerformance(createFunc) {
  const startTime = performance.now();
  for (let i = 0; i < 1000000; i++) {
    createFunc(i, i + 1);
  }
  const endTime = performance.now();
  console.log(`${createFunc.name} took ${endTime - startTime} milliseconds`);
}

testPerformance(createPoint1);
testPerformance(Point2);

// 访问属性的性能测试

function createObjects(count, createFunc){
    const objects = [];
    for (let i = 0; i < count; i++) {
        objects.push(createFunc(i, i + 1));
    }
    return objects;
}

const objects1 = createObjects(1000, createPoint1);
const objects2 = createObjects(1000, Point2);

function accessProperties(objects){
    let sum = 0;
    const startTime = performance.now();
    for(let i = 0; i < objects.length; i++){
        sum += objects[i].x + objects[i].y;
    }
    const endTime = performance.now();
    console.log(`Property Access took ${endTime - startTime} milliseconds, sum = ${sum}`);
}

accessProperties(objects1);
accessProperties(objects2);

运行这段代码，你会发现Point2的性能明显优于createPoint1。这是因为Point2使用了构造函数，更好地利用了隐藏类，减少了Transition的次数。

第六幕：隐藏类的限制

虽然隐藏类可以提高性能，但它也有一些限制。

  • 只对“形状”相似的对象有效： 隐藏类只有在对象属性结构相似的情况下才能发挥作用。如果对象的属性结构差异很大，隐藏类就无法共享，性能提升效果也会大打折扣。
  • Inline Cache (IC) 与 Hidden Class 配合： V8 实际使用 Inline Cache 技术来加速属性访问，而 Hidden Class 是 IC 的基础。 IC 会缓存属性访问的中间结果 (例如 Hidden Class 和偏移量)，下次访问相同属性时可以直接使用缓存，避免重新查找。

第七幕：总结

隐藏类是V8引擎优化对象属性访问的重要手段。通过理解隐藏类的工作原理，并掌握一些优化技巧，我们可以写出更高效的JavaScript代码。

表格总结：优化技巧一览

优化技巧 说明 效果
避免 Shape 变化 保持对象的属性结构一致，不要随意添加、删除属性，或者改变属性的类型。 减少 Transition 的次数，提高隐藏类的共享率。
预先声明所有属性 在创建对象时，就声明所有需要的属性，避免后续的动态添加。 减少 Transition 的次数，一次性确定对象的属性结构。
使用构造函数 构造函数可以更好地定义对象的属性结构，让V8更容易创建和共享隐藏类。 提高隐藏类的共享率。
避免删除属性 删除属性会导致对象的属性结构发生变化，触发Transition。尽量避免删除属性，如果确实不需要某个属性，可以将其设置为null或undefined。 减少 Transition 的次数，保持对象的属性结构不变。
保持属性类型稳定 尽量避免改变属性的类型。如果一个属性一开始是数字类型，就不要把它改成字符串类型。 减少 Transition 的次数。

尾声：记住，代码优化永无止境！

好了，今天的讲座就到这里。希望大家能够对V8的隐藏类有一个更深入的了解。记住，代码优化是一个持续学习和实践的过程。只有不断探索和尝试，才能写出更高效、更优雅的JavaScript代码。

感谢各位观众老爷们的捧场！下次再见！

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