在 JavaScript 中，什麼時候使用 Map 或勝過 Object

前端小智發表於2023-01-29
JavaScriptObject
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在 JavaScript 中，物件是很方便的。它們允許我們輕鬆地將多個資料塊組合在一起。 在ES6之後，又出了一個新的語言補充-- Map。在很多方面，它看起來像是一個功能更強的物件，但介面卻有些笨拙。

然而，大多數開發者在需要 hash map 的時候還是會使用物件，只有當他們意識到鍵值不能只是字串的時候才會轉而使用 Map。因此，Map 在當今的 JavaScript 社群中仍然沒有得到充分的使用。

在本文字中，我會列舉一些應該更多考慮使用 Map 的一些原因。

為什麼物件不符合 Hash Map 的使用情況

在 Hash Map 中使用物件最明顯的缺點是，物件只允許鍵是字串和 symbol。任何其他型別的鍵都會透過 toString 方法被隱含地轉換為字串。

const foo = []
const bar = {}
const obj = {[foo]: 'foo', [bar]: 'bar'}

console.log(obj) // {"": 'foo', [object Object]: 'bar'}

更重要的是，使用物件做 Hash Map 會造成混亂和安全隱患。

不必要的繼承

在ES6之前，獲得 hash map 的唯一方法是建立一個空物件：

const hashMap = {}

然而，在建立時，這個物件不再是空的。儘管 hashMap 是用一個空的物件字面量建立的，但它自動繼承了 Object.prototype。這就是為什麼我們可以在 hashMap 上呼叫hasOwnProperty、toString、constructor 等方法，儘管我們從未在該物件上明確定義這些方法。

由於原型繼承，我們現在有兩種型別的屬性被混淆了：存在於物件本身的屬性，即它自己的屬性，以及存在於原型鏈的屬性，即繼承的屬性。

因此，我們需要一個額外的檢查（例如hasOwnProperty）來確保一個給定的屬性確實是使用者提供的，而不是從原型繼承的。

除此之外，由於屬性解析機制在 JavaScrip t中的工作方式，在執行時對 Object.prototype 的任何改變都會在所有物件中引起連鎖反應。這就為原型汙染攻擊開啟了大門，這對大型的JavaScript 應用程式來說是一個嚴重的安全問題。

不過，我們可以透過使用 Object.create(null) 來解決這個問題，它可以生成一個不繼承Object.prototype的物件。

名稱衝突

當一個物件自己的屬性與它的原型上的屬性有名稱衝突時，它就會打破預期，從而使程式崩潰。

例如，我們有一個函式 foo，它接受一個物件。

function foo(obj) {
    //...
    for (const key in obj) {
        if (obj.hasOwnProperty(key)) {
            
        }
    }
}

obj.hasOwnProperty(key)有一個可靠性風險：考慮到屬性解析機制在JavaScript中的工作方式，如果 obj 包含一個開發者提供的具有相同名稱的 hasOwnProperty 屬性，那就會對Object.prototype.hasOwnProperty產生影響。因此，我們不知道哪個方法會在執行時被準確呼叫。

可以做一些防禦性程式設計來防止這種情況。例如，我們可以從 Object.prototype 中 "借用""真正的 hasOwnProperty 來代替:

function foo(obj) {
    //...
    for (const key in obj) {
        if (Object.prototype.hasOwnProperty.call(obj, key)) {
            // ...
        }
    }
}

還有一個更簡短的方法就是在一個物件的字面量上呼叫該方法，如{}.hasOwnProperty.call(key)，不過這也挺麻煩的。這就是為什麼還會新出一個靜態方法Object.hasOwn 的原因了。

次優的人機工程學

Object 沒有提供足夠的人機工程學，不能作為 hash map 使用，許多常見的任務不能直觀地執行。

size

Object 並沒有提供方便的API來獲取 size，即屬性的數量。而且，對於什麼是一個物件的 size ，還有一些細微的差別:

  • 如果只關心字串、可列舉的鍵，那麼可以用 Object.keys() 將鍵轉換為陣列，並獲得其length
  • 如果k只想要不可列舉的字串鍵，那麼必須得使用 Object.getOwnPropertyNames 來獲得一個鍵的列表並獲得其 length
  • 如果只對 symbol 鍵感興趣，可以使用 getOwnPropertySymbols 來顯示 symbol 鍵。或者可以使用 Reflect.ownKeys 來一次獲得字串鍵和 symbol 鍵，不管它是否是可列舉的。

上述所有選項的執行時複雜度為O(n)，因為我們必須先構造一個鍵的陣列，然後才能得到其長度。

iterate

迴圈遍歷物件也有類似的複雜性

我們可以使用 for...in迴圈。但它會讀取到繼承的可列舉屬性。

Object.prototype.foo = 'bar'

const obj = {id: 1} 

for (const key in obj) {
    console.log(key) // 'id', 'foo'
}

我們不能對一個物件使用 for ... of，因為預設情況下它不是一個可迭代的物件，除非我們明確定義 Symbol.iterator 方法在它上面。

我們可以使用 Object.keys、Object.values 和 Object.entry 來獲得一個可列舉的字串鍵（或/和值）的列表，並透過該列表進行迭代，這引入了一個額外的開銷步驟。

還有一個是 插入物件的鍵的順序並不是按我們的順序來的，這是一個很蛋疼的地方。在大多數瀏覽器中，整數鍵是按升序排序的，並優先於字串鍵，即使字串鍵是在整數鍵之前插入的：

const obj = {}

obj.foo = 'first'
obj[2] = 'second'
obj[1] = 'last'

console.log(obj) // {1: 'last', 2: 'second', foo: 'first'}

clear

沒有簡單的方法來刪除一個物件的所有屬性，我們必須用 delete 運算子一個一個地刪除每個屬性，這在歷史上是眾所周知的慢。

檢查屬性是否存在

最後，我們不能依靠點/括號符號來檢查一個屬性的存在，因為值本身可能被設定為 undefined。相反，得使用 Object.prototype.hasOwnProperty 或 Object.hasOwn。

const obj = {a: undefined}

Object.hasOwn(obj, 'a') // true

Map

ES6 為我們帶來了 Map，首先，與只允許鍵值為字串和 symbols 的 Object 不同，Map 支援任何資料型別的鍵。

但更重要的是，Map 在使用者定義的和內建的程式資料之間提供了一個乾淨的分離，代價是需要一個額外的 Map.prototype.get 來獲取對應的項。

Map 也提供了更好的人機工程學。Map 預設是一個可迭代的物件。這說明可以用 for ... of 輕鬆地迭代一個 Map，並做一些事情，比如使用巢狀的解構來從 Map 中取出第一個項。

const [[firstKey, firstValue]] = map

與 Object 相比，Map 為各種常見任務提供了專門的API:

  • Map.prototype.has 檢查一個給定的項是否存在，與必須在物件上使用Object.prototype.hasOwnProperty/Object.hasOwn 相比，不那麼尷尬了。
  • Map.prototype.get 返回與提供的鍵相關的值。有的可能會覺得這比物件上的點符號或括號符號更笨重。不過，它提供了一個乾淨的使用者資料和內建方法之間的分離。
  • Map.prototype.size 返回 Map 中的項的個數，與獲取物件大小的操作相比，這明顯好太多了。此外，它的速度也更快。
  • Map.prototype.clear 可以刪除 Map 中的所有項，它比 delete 運算子快得多。

效能差異

在 JavaScript 社群中，似乎有一個共同的信念，即在大多數情況下，Map 要比 Object 快。有些人聲稱透過從 Object 切換到 Map 可以看到明顯的效能提升。

我在 LeetCode 上也證實了這種想法，對於資料量大的 Object 會超時，但 Map 上則不會。

然而，說 "Map 比 Object 快" 可能是算一種歸納性的，這兩者一定有一些細微的差別，我們可以透過一些例子，把它找出來。

測試

測試用例有一個表格，主要測試 Object 和 Map 在插入、迭代和刪除資料的速度。

插入和迭代的效能是以每秒的操作來衡量的。這裡使用了一個實用函式 measureFor，它重複執行目標函式，直到達到指定的最小時間閾值（即使用者介面上的 duration 輸入欄位）。它返回這樣一個函式每秒鐘被執行的平均次數。

function measureFor(f, duration) {
  let iterations = 0;
  const now = performance.now();
  let elapsed = 0;
  while (elapsed < duration) {
    f();
    elapsed = performance.now() - now;
    iterations++;
  }

  return ((iterations / elapsed) * 1000).toFixed(4);
}

至於刪除，只是要測量使用 delete 運算子從一個物件中刪除所有屬性所需的時間，並與相同大小的 Map 使用 Map.prototype.delete 的時間進行比較。也可以使用Map.prototype.clear，但這有悖於基準測試的目的，因為我知道它肯定會快得多。

在這三種操作中，我更關注插入操作，因為它往往是我在日常工作中最常執行的操作。對於迭代效能，很難有一個全面的基準，因為我們可以對一個給定的物件執行許多不同的迭代變體。這裡我只測量 for ... in 迴圈。

在這裡使用了三種型別的 key。

  • 字串，例如：Yekwl7caqejth7aawelo4。
  • 整數字符串，例如：123
  • 由 Math.random().toString() 生成的數字字串，例如：0.4024025689756525。

所有的鍵都是隨機生成的，所以我們不會碰到V8實現的內聯快取。我還在將整數和數字鍵新增到物件之前，使用 toString 明確地將其轉換為字串，以避免隱式轉換的開銷。

最後，在基準測試開始之前，還有一個至少100ms的熱身階段，在這個階段，我們反覆建立新的物件和 Map，並立即丟棄。

如果你也想玩，程式碼已經放在 CodeSandbox 上。

我從大小為 100 個屬性/項的 Object 和 Map 開始，一直到 5000000，並讓每種型別的操作持續執行 10000ms，看看它們之間的表現如何。下面是測試結果：

string keys

一般來說，當鍵為（非數字）字串時，Map 在所有操作上都優於 Object。

image.png

但細微之處在於，當數量並不真正多時（低於100000），Map 在插入速度上 是Object 的兩倍，但當規模超過 100000 時，效能差距開始縮小。

image.png

上圖顯示了隨著條目數的增加（x軸），插入率如何下降（y軸）。然而，由於X軸擴充套件得太寬（從100 到 1000000），很難分辨這兩條線之間的差距。

然後用對數比例來處理資料，做出了下面的圖表。

image.png

可以清楚地看出這兩條線正在重合。

這裡又做了一張圖，畫出了在插入速度上 Map 比 Object 快多少。你可以看到 Map 開始時比 Object 快 2 倍左右。然後隨著時間的推移，效能差距開始縮小。最終，當大小增長到 5000000時，Map 只快了 30%。

image.png

雖然我們中的大多數人永遠不會在一個 Object 或 Map 中擁有超過1 00 萬的條資料。對於幾百或幾千個資料的規模，Map 的效能至少是 Object 的兩倍。因此，我們是否應該就此打住，並開始重構我們的程式碼庫，全部採用 Map？

這不太靠譜......或者至少不能期望我們的應用程式變得快 2 倍。記住我們還沒有探索其他型別的鍵。下面我們看一下整數鍵。

integer keys

我之所以特別想在有整數鍵的物件上執行基準，是因為V8在內部最佳化了整數索引的屬性，並將它們儲存在一個單獨的陣列中，可以線性和連續地訪問。但我找不到任何資源來證實它對 Map 也採用了同樣的最佳化方式。

我們首先嚐試在 [0, 1000] 範圍內的整數鍵。

image.png

如我所料，Object 這次的表現超過了 Map。它們的插入速度比 Map 快65%，迭代速度快16%。

接著， 擴大範圍，使鍵中的最大整數為 1200。

image.png

似乎現在 Map 的插入速度開始比 Object 快一點，迭代速度快 5 倍。

現在，我們只增加了整數鍵的範圍，而不是 Object 和 Map 的實際大小。讓我們加大 size，看看這對效能有什麼影響。

image.png

當屬性 size 為 1000 時，Object 最終比 Map 的插入速度快 70%，迭代速度慢2倍。

我玩了一堆 Object/Map size 和整數鍵範圍的不同組合，但沒有想出一個明確的模式。但我看到的總體趨勢是，隨著 size 的增長，以一些相對較小的整數作為鍵值，Object 在插入方面比Map 更有效能，在刪除方面總是大致相同，迭代速度慢4或5倍。

Object 在插入時開始變慢的最大整數鍵的閾值會隨著 Object 的大小而增長。例如，當物件只有100個條資料，閾值是1200；當它有 10000 個條目時，閾值似乎是 24000 左右。

numeric keys

最後，讓我們來看看最後一種型別的按鍵--數字鍵。

從技術上講，之前的整數鍵也是數字鍵。這裡的數字鍵特指由 Math.random().toString() 生成的數字字串。

結果與那些字串鍵的情況類似。Map 開始時比 Object 快得多（插入和刪除快2倍，迭代快4-5倍），但隨著我們規模的增加，差距也越來越小。

記憶體使用情況

基準測試的另一個重要方面是記憶體利用率.

由於我無法控制瀏覽器環境中的垃圾收集器，這裡決定在 Node 中執行基準測試。

這裡建立了一個小指令碼來測量它們各自的記憶體使用情況，並在每次測量中手動觸發了完全的垃圾收集。用 node --expose-gc 執行它，就得到了以下結果。

{
  object: {
    'string-key': {
      '10000': 3.390625,
      '50000': 19.765625,
      '100000': 16.265625,
      '500000': 71.265625,
      '1000000': 142.015625
    },
    'numeric-key': {
      '10000': 1.65625,
      '50000': 8.265625,
      '100000': 16.765625,
      '500000': 72.265625,
      '1000000': 143.515625
    },
    'integer-key': {
      '10000': 0.25,
      '50000': 2.828125,
      '100000': 4.90625,
      '500000': 25.734375,
      '1000000': 59.203125
    }
  },
  map: {
    'string-key': {
      '10000': 1.703125,
      '50000': 6.765625,
      '100000': 14.015625,
      '500000': 61.765625,
      '1000000': 122.015625
    },
    'numeric-key': {
      '10000': 0.703125,
      '50000': 3.765625,
      '100000': 7.265625,
      '500000': 33.265625,
      '1000000': 67.015625
    },
    'integer-key': {
      '10000': 0.484375,
      '50000': 1.890625,
      '100000': 3.765625,
      '500000': 22.515625,
      '1000000': 43.515625
    }
  }
}

很明顯，Map 比 Object 消耗的記憶體少20%到50%，這並不奇怪，因為 Map 不像 Object 那樣儲存屬性描述符，比如 writable/enumerable/configurable 。

總結

那麼，我們能從這一切中得到什麼呢？

  • Map 比 Object 快，除非有小的整數、陣列索引的鍵，而且它更節省記憶體。
  • 如果你需要一個頻繁更新的 hash map，請使用 Map；如果你想一個固定的鍵值集合（即記錄），請使用Object，並注意原型繼承帶來的陷阱。

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