JavaScript 数据结构与算法之美 - 栈内存与堆内存、浅拷贝与深拷贝

2023-02-17 10:10:08

前言

想写好前端，先练好内功。

栈内存与堆内存、浅拷贝与深拷贝，可以说是前端程序员的内功，要知其然，知其所以然。

笔者写的 JavaScript 数据结构与算法之美 系列用的语言是 JavaScript ，旨在入门数据结构与算法和方便以后复习。

栈

定义

后进者先出，先进者后出，简称 后进先出（LIFO），这就是典型的栈结构。
新添加的或待删除的元素都保存在栈的末尾，称作栈顶，另一端就叫栈底。
在栈里，新元素都靠近栈顶，旧元素都接近栈底。
从栈的操作特性来看，是一种 操作受限的线性表，只允许在一端插入和删除数据。
不包含任何元素的栈称为空栈。

栈也被用在编程语言的编译器和内存中保存变量、方法调用等，比如函数的调用栈。

堆

定义

堆数据结构是一种树状结构。

它的存取数据的方式，与书架与书非常相似。我们不关心书的放置顺序是怎样的，只需知道书的名字就可以取出我们想要的书了。

好比在 JSON 格式的数据中，我们存储的 key-value 是可以无序的，只要知道 key，就能取出这个 key 对应的 value。

堆与栈比较

堆是动态分配内存，内存大小不一，也不会自动释放。
栈是自动分配相对固定大小的内存空间，并由系统自动释放。
栈，线性结构，后进先出，便于管理。
堆，一个混沌，杂乱无章，方便存储和开辟内存空间。

栈内存与堆内存

JavaScript 中的变量分为基本类型和引用类型。

基本类型是保存在栈内存中的简单数据段，它们的值都有固定的大小，保存在栈空间，通过按值访问，并由系统自动分配和自动释放。

这样带来的好处就是，内存可以及时得到回收，相对于堆来说，更加容易管理内存空间。

JavaScript 中的 Boolean、Null、Undefined、Number、String、Symbol 都是基本类型。
引用类型（如对象、数组、函数等）是保存在堆内存中的对象，值大小不固定，栈内存中存放的该对象的访问地址指向堆内存中的对象，JavaScript 不允许直接访问堆内存中的位置，因此操作对象时，实际操作对象的引用。

JavaScript 中的 Object、Array、Function、RegExp、Date 是引用类型。

结合实例说明

let a1 = 0; // 栈内存

let a2 = "this is string" // 栈内存

let a3 = null; // 栈内存

let b = { x: 10 }; // 变量 b 存在于栈中，{ x: 10 } 作为对象存在于堆中

let c = [1, 2, 3]; // 变量 c 存在于栈中，[1, 2, 3] 作为对象存在于堆中

当我们要访问堆内存中的引用数据类型时

1. 从栈中获取该对象的地址引用
1. 再从堆内存中取得我们需要的数据

基本类型发生复制

let a = 20;

let b = a;

b = 30;

console.log(a); // 20

在栈内存中的数据发生复制行为时，系统会自动为新的变量分配一个新值，最后这些变量都是 相互独立，互不影响的。

引用类型发生复制

let a = { x: 10, y: 20 }

let b = a;

b.x = 5;

console.log(a.x); // 5

引用类型的复制，同样为新的变量 b 分配一个新的值，保存在栈内存中，不同的是，这个值仅仅是引用类型的一个地址指针。
他们两个指向同一个值，也就是地址指针相同，在堆内存中访问到的具体对象实际上是同一个。
因此改变 b.x 时，a.x 也发生了变化，这就是引用类型的特性。

结合下图理解

总结

栈内存	堆内存
存储基础数据类型	存储引用数据类型
按值访问	按引用访问
存储的值大小固定	存储的值大小不定，可动态调整
由系统自动分配内存空间	由代码进行指定分配
空间小，运行效率高	空间大，运行效率相对较低
先进后出，后进先出	无序存储，可根据引用直接获取

浅拷贝与深拷贝

上面讲的引用类型的复制就是浅拷贝，复制得到的访问地址都指向同一个内存空间。所以修改了其中一个的值，另外一个也跟着改变了。

深拷贝：复制得到的访问地址指向不同的内存空间，互不相干。所以修改其中一个值，另外一个不会改变。

平时使用数组复制时，我们大多数会使用 =，这只是浅拷贝，存在很多问题。比如：

let arr = [1,2,3,4,5];

let arr2 = arr;

console.log(arr) //[1, 2, 3, 4, 5]

console.log(arr2) //[1, 2, 3, 4, 5]

arr[0] = 6;

console.log(arr) //[6, 2, 3, 4, 5]

console.log(arr2) //[6, 2, 3, 4, 5]

arr2[4] = 7;

console.log(arr) //[6, 2, 3, 4, 7]

console.log(arr2) //[6, 2, 3, 4, 7]

很明显，浅拷贝下，拷贝和被拷贝的数组会相互受到影响。

所以，必须要有一种不受影响的方法，那就是深拷贝。

深拷贝的的复制过程

let a = { x: 10, y: 20 }

let b = JSON.parse(JSON.stringify(a));

b.x = 5;

console.log(a.x); // 10

console.log(b.x); // 5

数组

一、for 循环

//for 循环 copy

function copy(arr) {

    let cArr = []

    for(let i = 0; i < arr.length; i++){

      cArr.push(arr[i])

    }

    return cArr;

}

let arr3 = [1,2,3,4];

let arr4 = copy(arr3) //[1,2,3,4]

console.log(arr4) //[1,2,3,4]

arr3[0] = 5;

console.log(arr3) //[5,2,3,4]

console.log(arr4) //[1,2,3,4]

二、slice 方法

//slice实现深拷贝

let arr5 = [1,2,3,4];

let arr6 = arr5.slice(0);

arr5[0] = 5;

console.log(arr5); //[5,2,3,4]

console.log(arr6); //[1,2,3,4]

三、concat 方法

//concat实现深拷贝

let arr7 = [1,2,3,4];

let arr8 = arr7.concat();

arr7[0] = 5;

console.log(arr7); //[5,2,3,4]

console.log(arr8); //[1,2,3,4]

四、es6 扩展运算

//es6 扩展运算实现深拷贝

let arr9 = [1,2,3,4];

let [...arr10] = arr9;

arr9[0] = 5;

console.log(arr9) //[5,2,3,4]

console.log(arr10) //[1,2,3,4]

五、JSON.parse 与 JSON.stringify

let arr9 = [1,2,3,4];

let arr10 = JSON.parse(JSON.stringify(arr9))

arr9[0] = 5;

console.log(arr9) //[5,2,3,4]

console.log(arr10) //[1,2,3,4]

注意：该方法在数据量比较大时，会有性能问题。

对象

一、对象的循环

//  循环 copy 对象

let obj = {

    id:'0',

    name:'king',

    sex:'man'

}

let obj2 = copy2(obj)

function copy2(obj) {

    let cObj = {};

    for(var key in obj){

      cObj[key] = obj[key]

    }

    return cObj

}

obj2.name = "king2"

console.log(obj) // {id: "0", name: "king", sex: "man"}

console.log(obj2) // {id: "0", name: "king2", sex: "man"}

二、JSON.parse 与 JSON.stringify

var obj1 = {

    x: 1,

    y: {

        m: 1

    },

    a:undefined,

    b:function(a,b){

      return a+b

    },

    c:Symbol("foo")

};

var obj2 = JSON.parse(JSON.stringify(obj1));

console.log(obj1) //{x: 1, y: {m: 1}, a: undefined, b: ƒ, c: Symbol(foo)}

console.log(obj2) //{x: 1, y: {m: 1}}

obj2.y.m = 2; //修改obj2.y.m

console.log(obj1) //{x: 1, y: {m: 1}, a: undefined, b: ƒ, c: Symbol(foo)}

console.log(obj2) //{x: 1, y: {m: 2}}

可实现多维对象的深拷贝。

注意：进行JSON.stringify() 序列化的过程中，undefined、任意的函数以及 symbol 值，在序列化过程中会被忽略（出现在非数组对象的属性值中时）或者被转换成 null（出现在数组中时）。

三、es6 扩展运算

let obj = {

    id:'0',

    name:'king',

    sex:'man'

}

let {...obj4} = obj

obj4.name = "king4"

console.log(obj) //{id: "0", name: "king", sex: "man"}

console.log(obj4) //{id: "0", name: "king4", sex: "man"}

四、Object.assign()

Object.assign() 只能实现一维对象的深拷贝。

var obj1 = {x: 1, y: 2}, obj2 = Object.assign({}, obj1);

console.log(obj1) // {x: 1, y: 2}

console.log(obj2) // {x: 1, y: 2}

obj2.x = 2; // 修改 obj2.x

console.log(obj1) // {x: 1, y: 2}

console.log(obj2) // {x: 2, y: 2}

var obj1 = {

    x: 1,

    y: {

        m: 1

    }

};

var obj2 = Object.assign({}, obj1);

console.log(obj1) // {x: 1, y: {m: 1}}

console.log(obj2) // {x: 1, y: {m: 1}}

obj2.y.m = 2; // 修改 obj2.y.m

console.log(obj1) // {x: 1, y: {m: 2}}

console.log(obj2) // {x: 2, y: {m: 2}}

通用深拷贝方法

简单版

let clone = function (v) {

    let o = v.constructor === Array ? [] : {};

    for(var i in v){

      o[i] = typeof v[i] === "object" ? clone(v[i]) : v[i];

    }

    return o;

}

// 测试

let obj = {

    id:'0',

    name:'king',

    sex:'man'

}

let obj2 = clone(obj)

obj2.name = "king2"

console.log(obj) // {id: "0", name: "king", sex: "man"}

console.log(obj2) // {id: "0", name: "king2", sex: "man"}

let arr3 = [1,2,3,4];

let arr4 = clone(arr3) // [1,2,3,4]

arr3[0] = 5;

console.log(arr3) // [5,2,3,4]

console.log(arr4) // [1,2,3,4]

但上面的深拷贝方法遇到循环引用，会陷入一个循环的递归过程，从而导致爆栈，所以要避免。

let obj1 = {

    x: 1,

    y: 2

};

obj1.z = obj1;

let obj2 = clone(obj1);

console.log(obj2)

结果如下：

总结：深刻理解 javascript 的深浅拷贝，可以灵活的运用数组与对象，并且可以避免很多 bug。

7. 最后

文中所有的代码及测试事例都已经放到我的 GitHub 上了。

如果你觉得有用或者喜欢，就点收藏，顺便点个赞吧，你的支持是我最大的鼓励！

参考文章：

JavaScript栈内存和堆内存

 JavaScript实现浅拷贝与深拷贝的方法分析

 浅拷贝与深拷贝（JavaScript）

码农公寓

前言

栈

堆

栈内存与堆内存

浅拷贝与深拷贝

数组

对象

通用深拷贝方法

7. 最后

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