【第996期】前端处理大数据的无限可能
前言
今日早读文章由 百度 @Lucas 授权分享。
正文从这开始～
随着前端的飞速发展，在浏览器端完成复杂的计算，支配并处理大量数据已经屡见不鲜。那么，如何在最小化内存消耗的前提下，高效优雅地完成复杂场景的处理，越来越考验开发者功力，也直接决定了程序的性能。
本文展现了一个完全在控制台就能模拟体验的实例，通过一步步优化，实现了生产并操控多个100000（十万级别）对象的场景。
导读：这篇文章涉及到 javascript 中 数组各种操作、原型原型链、ES6、classes 继承、设计模式、控制台分析 等内容。
要求阅读者具有 js 面向对象扎实的基础知识。如果你是初级前端开发者，很容易被较为复杂的逻辑绕的云里雾里，“从入门到放弃”，不过建议先收藏。如果你是“老司机”，本文提供的解决思路希望对你有所启发，抛砖引玉。
场景和初级感知
具体来说，我们需要一个构造函数，或者说类似 factory 模式，实例化100000个以上对象实例。
先来感知一下具体实现：
Step1
打开你的浏览器控制台，仔细观察并复制粘贴以下代码，触发执行。
a = new Array(1e6).fill(0);
我们创建了一个长度为100000的数组，数组的每一项元素都为0。
Step2
在数组 a 的基础上，再生产一个长度为100000的数组 b，数组的每一项元素都是一个普通 javascript object，拥有 id 属性，并且其 id 属性值为其在元素中的 index 值；
b = a.map((val, ix) => ({id: ix}))
Step3
接下来，在 b 的基础上，再生产一个长度为100000的数组 c ，类似于 b，同时我们增加一些其它属性，使得数组元素对象更加复杂一些：
c = a.map((val, ix) => ({id: ix, shape: 'square', size: 10.5, color: 'green'}))
语义上，我们可以更直观的理解：c 就是包含了100000个元素的数组，每一项都是一个绿色的、size 为10.5的小方块。
如果你按照指示做了下来，控制台上会有以下内容：
深层探究
你也许会想，这么大的数据量，内存占用会是什么样的情况呢？
好，我来带你看看，点击控制台 Profiles，选择 Take Shapshot。在Window->Window 目录下，根据内存进行筛选，你会得到：
很明显，我们看到：
a数组：8MB；
b数组：40MB；
c数组：64MB
也许在实际场景中，除了100000个绿色的、size为10.5的小方块，我们还需要很多不同颜色，不同 size 的形状。之前，这样“变态”的需求常见于游戏应用中。但是现在，复杂项目中类似场景，也许距离你并不遥远。
ES6 Classes处理需求
简单“热身”之后，我们了解了实际需求。接下来，我们考察一下 ES6 Classes 处理这个问题的情况。请重新刷新浏览器 tab，复制执行以下代码。
class Shape {
constructor (id, shape = 'square', size = 10.5, color = 'green') {
this.x = x; // 坐标x轴
this.y = y; // 坐标y轴
Object.assign(this, {id, shape, size, color})
}
}
a = new Array(1e6).fill(0);
b = a.map((val, ix) => new Shape(ix));
我们使用了ES6 Classes，并扩充了每个形状的坐标信息。 此时，再来看一下内存占用情况：
很明显，此时 b 数组由100000个形状组成，占据内存：80MB，超过了先前数组的内存消耗。也许这并不出乎意料，此时的b数组毕竟又多了两个属性。
优化设计：Two-Headed Classes
我们先来分析一下上面的实现，熟悉原型链、原型概念的同学也许会明白，之前的方案产生的实例，顺着原型链上溯，具有三层原型属性：
第一层：[id, shape, size, color, x, y]; 这一层属性的 hasOwnproperty 为 true; 属性存在于实例本身。
第二层：[Shape]; 顺着原型链上溯，这一层 instance.proto === Constructor.prototype; ( proto 左右两边 __ 被编辑器吃掉了，请见谅，下同)
第三层：[Object]; 这一层: instance.proto.__proto__ === Object.prototype; 如果在向上追溯，就为 null 了。
这样的情况下，实际业务数据层只有一层，即为第一层。
但是，请仔细思考，如果有大量的不同颜色，不同size，不同形状的情况下。单一数据层，是难以满足我们需求的。 我们需要，再添加一层数据层，构成所谓的 Two-Headed Classes！同时，还需要对于默认的属性，实现共享，以节省内存的占用。
什么什么？没听明白，那就请看具体操作吧。
如何实现？
我们可以使用 Object.create 方法，这样使得生产得到的实例的 proto 指向 b 数组的元素，然后在最顶层设计一个 id 属性。
也许这样说过于晦涩，那就直接参考代码吧，请注意，这是本篇文章最难以理解的地方，请务必仔细揣摩：
two = Object.create(b[0]);
// two.__proto__ === b[0]
two.id = 1;
还记得 b 数组是什么嘛？参考上文，它由
b = a.map((val, ix) => new Shape(ix));
得到。
这样子的话，对于每一个实例，我们有如下关系：
第一层：[id]； 这一层实例的 hasOwnproperty 为 true;
第二层：[id, shape, size, color, x, y]; 这一层 instance.proto === Constructor.prototype;
第三层：[Shape];
第四层：[Object]; 这一层的再顶层，就为null了。
我们将 Shape 的一个实例作为一个新的 object 的原型，并复写了 id 属性，原有的 id 属性将作为默认 id。
当然，上边的代码只是“个案”，我们进行“生产化”：
proto = new Shape(0);
function newTwoHeaded (ix) {
const obj = Object.create(proto);
obj.id = ix;
return obj
}
c = a.map((val, ix) => newTwoHeaded(ix));
这么做多加入了一个数据层，那么有什么“收获”呢？我们来看一下b和c的内存占用情况吧：
这表明：我们从80MB的b，优化得到了64MB的c！ 原因当然就在于虽然多加了一层原型结构，但是第二层变成了“共享”。
当然，如果到这里你还没有晕的话，可能要问：那第二层诸如 shape, size, color 这些属性变成共享的之后，存在互相干扰怎么破解呢？
好问题，我先不解答，先给大家看一下最后的 final product：
class ShapeMaker {
constructor () {
Object.assign(this, ShapeMaker.defaults())
}
static defaults () {
return {
id: null,
x: 0,
y: 0,
shape: 'square',
size: 0.5,
color: 'red',
strokeColor: 'yellow',
hidden: false,
label: null,
labelOffset: [0, 0],
labelFont: '10px sans-serif',
labelColor: 'black'
}
}
newShape (id, x, y) {
const obj = Object.create(this);
return Object.assign(obj, {id, x, y})
}
setDefault (name, value) {
this[name] = value;
}
getDefault (name) {
return this[name]
}
}
在实例化的时候，我们便可以这样使用：
shapeProto = new ShapreMaker();
d = a.map((val, ix) => shapeProto.newShape(ix, ix/10, -ix/10))
就像上面所说的，初始化实例时，我们初始化了 id, x, y 这么三个参数。作为该实例本身的数据层。这个实例的原型上，也有类似的参数，来保证默认值。这些原型上的属性，对于实例数组中的每个实例，都是共享的。
为了更好的对比，如果设计是这样子：
function fatShape (id, x, y) {
const a = new shapeMaker();
return Object.assign(a, {id, x, y})
}
e = a.map((val, ix) => fatShape(ix, ix/10, -ix/10))
那么所有属性无法共享，而是各自拷贝了一份。在内存的占用上，将是我们给出方案的三倍之多！
阿喀琉斯之踵
阿喀琉斯，是凡人珀琉斯和美貌仙女忒提斯的宝贝儿子。忒提斯为了让儿子炼成“金钟罩”，在他刚出生时就将其倒提着浸进冥河，遗憾的是，乖儿被母亲捏住的脚后跟却不慎露在水外，全身留下了惟一一处“死穴”。后来，阿喀琉斯被帕里斯一箭射中了脚踝而死去。 后人常以“阿喀琉斯之踵”譬喻这样一个道理：即使是再强大的英雄，他也有致命的死穴或软肋。
就像我们刚才提的到解决方案一样，也有一些“不足”。问题其实在之前我也已经抛出：“第二层诸如：shape, size, color 这些属性变成共享的之后，存在互相干扰怎么破解呢？”
这个问题的答案其实也隐藏在上面的代码中，很简单，就是我们在实例的自身属性上，进行复写，而避免更改原型上的属性造成污染。
如果你看的云里雾里，不要紧，马上看一下我下面的代码说明：
d.every((item) => item.shape === 'square') // true
打印为 true，是因为 d 数组中的每个实例的 shape 属性，都在原型上，且初始值都为'square';
现在我们调用 setDefault 方法，实现对默认 shape 的改写。
shapeProto.setDefault('shape', 'circle');
d.every((item) => item.shape === 'square'); // false
因为此时所有实例的 shape 都在原型上，并共享这个原型。更改之后，我们有：
d.every((item) => item.shape === 'circle'); // true
但是，我只想把第一个实例的 shape 设置为 triangle，其他的不变，该怎么办呢？只需要在第一个实例上，增加一个 shape 属性，进行重写：
d[0].shape = 'triangle';
d.every((item) => item.shape === 'circle'); // false
好吧，尝试完毕之后，我们在变回来。
d[0].shape = 'circle';
这时候，自然有：
d.every((item) => item.shape === 'circle'); // true
同时，再折腾一下：
d[0].shape = 'triangle';
d.every((item) => item.shape === 'triangle'); // false
相信下面的也不难理解了：
shapeProto.setDefault('shape', 'triangle');
d.every((item) => item.shape === 'triangle'); // true
这种模式其实比单纯使用ES6 Classes要灵活的多，同时也节省了内存。所有的静态属性都是共享的，但是共享的静态属性又都是可变的，可复写的。
总结
这篇文章，我们在开头部分了解到了在大量数据的情况下，内存的占用是如何一步一步变的沉重。同时，我们提供了一种，在传统的 Classes 之上增加一个数据层的方法，有效地解决了这个问题。解决方案充分利用了 Object.create 等手段。
当然，理解这些内容并不简单，需要读者有比较扎实的 javascript 基础。在您阅读过程当中，有任何问题，欢迎与我讨论。
内容借鉴了Owen Densmore最新文章：Two Headed ES6 Classes!，喜欢看英文原版的同学可以直接戳链接。中文翻译版并非直译，进行了较大幅度的讲解和增删。
关于本文
作者：@Lucas
原文：https://zhuanlan.zhihu.com/p/27882908