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

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

1. 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。
2. 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。
3. 在栈里，新元素都靠近栈顶，旧元素都接近栈底。
4. 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。
5. 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
• 2. 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。

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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）