Set 和 Map 数据结构

阮一峰...大约 24 分钟

Set 和 Map 数据结构

WeakSet

含义

WeakSet 结构与 Set 类似，也是不重复的值的集合。但是，它与 Set 有两个区别。

首先，WeakSet 的成员只能是对象，而不能是其他类型的值。

const ws = new WeakSet();
ws.add(1);
// TypeError: Invalid value used in weak set
ws.add(Symbol());
// TypeError: invalid value used in weak set

上面代码试图向 WeakSet 添加一个数值和 Symbol 值，结果报错，因为 WeakSet 只能放置对象。

其次，WeakSet 中的对象都是弱引用，即垃圾回收机制不考虑 WeakSet 对该对象的引用，也就是说，如果其他对象都不再引用该对象，那么垃圾回收机制会自动回收该对象所占用的内存，不考虑该对象还存在于 WeakSet 之中。

这是因为垃圾回收机制依赖引用计数，如果一个值的引用次数不为 0，垃圾回收机制就不会释放这块内存。结束使用该值之后，有时会忘记取消引用，导致内存无法释放，进而可能会引发内存泄漏。WeakSet 里面的引用，都不计入垃圾回收机制，所以就不存在这个问题。因此，WeakSet 适合临时存放一组对象，以及存放跟对象绑定的信息。只要这些对象在外部消失，它在 WeakSet 里面的引用就会自动消失。

由于上面这个特点，WeakSet 的成员是不适合引用的，因为它会随时消失。另外，由于 WeakSet 内部有多少个成员，取决于垃圾回收机制有没有运行，运行前后很可能成员个数是不一样的，而垃圾回收机制何时运行是不可预测的，因此 ES6 规定 WeakSet 不可遍历。

这些特点同样适用于本章后面要介绍的 WeakMap 结构。

语法

WeakSet 是一个构造函数，可以使用 new 命令，创建 WeakSet 数据结构。

const ws = new WeakSet();

作为构造函数，WeakSet 可以接受一个数组或类似数组的对象作为参数。(实际上，任何具有 Iterable 接口的对象，都可以作为 WeakSet 的参数。)该数组的所有成员，都会自动成为 WeakSet 实例对象的成员。

const a = [
  [1, 2],
  [3, 4],
];
const ws = new WeakSet(a);
// WeakSet {[1, 2], [3, 4]}

上面代码中，a 是一个数组，它有两个成员，也都是数组。将 a 作为 WeakSet 构造函数的参数，a 的成员会自动成为 WeakSet 的成员。

注意，是 a 数组的成员成为 WeakSet 的成员，而不是 a 数组本身。这意味着，数组的成员只能是对象。

const b = [3, 4];
const ws = new WeakSet(b);
// Uncaught TypeError: Invalid value used in weak set(…)

上面代码中，数组 b 的成员不是对象，加入 WeaKSet 就会报错。

WeakSet 结构有以下三个方法。

WeakSet.prototype.add(value): 向 WeakSet 实例添加一个新成员。
WeakSet.prototype.delete(value): 清除 WeakSet 实例的指定成员。
WeakSet.prototype.has(value): 返回一个布尔值，表示某个值是否在 WeakSet 实例之中。

下面是一个例子。

const ws = new WeakSet();
const obj = {};
const foo = {};

ws.add(window);
ws.add(obj);

ws.has(window); // true
ws.has(foo); // false

ws.delete(window);
ws.has(window); // false

WeakSet 没有 size 属性，没有办法遍历它的成员。

ws.size; // undefined
ws.forEach; // undefined

ws.forEach(function (item) {
  console.log("WeakSet has " + item);
});
// TypeError: undefined is not a function

上面代码试图获取 size 和 forEach 属性，结果都不能成功。

WeakSet 不能遍历，是因为成员都是弱引用，随时可能消失，遍历机制无法保证成员的存在，很可能刚刚遍历结束，成员就取不到了。WeakSet 的一个用处，是储存 DOM 节点，而不用担心这些节点从文档移除时，会引发内存泄漏。

下面是 WeakSet 的另一个例子。

const foos = new WeakSet();
class Foo {
  constructor() {
    foos.add(this);
  }
  method() {
    if (!foos.has(this)) {
      throw new TypeError("Foo.prototype.method 只能在Foo的实例上调用!");
    }
  }
}

上面代码保证了 Foo 的实例方法，只能在 Foo 的实例上调用。这里使用 WeakSet 的好处是，foos 对实例的引用，不会被计入内存回收机制，所以删除实例的时候，不用考虑 foos，也不会出现内存泄漏。

Map

含义和基本用法

JavaScript 的对象(Object)，本质上是键值对的集合(Hash 结构)，但是传统上只能用字符串当作键。这给它的使用带来了很大的限制。

const data = {};
const element = document.getElementById("myDiv");

data[element] = "metadata";
data["[object HTMLDivElement]"]; // "metadata"

上面代码原意是将一个 DOM 节点作为对象 data 的键，但是由于对象只接受字符串作为键名，所以 element 被自动转为字符串 [object HTMLDivElement]。

为了解决这个问题，ES6 提供了 Map 数据结构。它类似于对象，也是键值对的集合，但是“键”的范围不限于字符串，各种类型的值(包括对象)都可以当作键。也就是说，Object 结构提供了“字符串—值”的对应，Map 结构提供了“值—值”的对应，是一种更完善的 Hash 结构实现。如果您需要“键值对”的数据结构，Map 比 Object 更合适。

const m = new Map();
const o = { p: "Hello World" };

m.set(o, "content");
m.get(o); // "content"

m.has(o); // true
m.delete(o); // true
m.has(o); // false

上面代码使用 Map 结构的 set 方法，将对象 o 当作 m 的一个键，然后又使用 get 方法读取这个键，接着使用 delete 方法删除了这个键。

上面的例子展示了如何向 Map 添加成员。作为构造函数，Map 也可以接受一个数组作为参数。该数组的成员是一个个表示键值对的数组。

const map = new Map([
  ["name", "张三"],
  ["title", "Author"],
]);

map.size; // 2
map.has("name"); // true
map.get("name"); // "张三"
map.has("title"); // true
map.get("title"); // "Author"

上面代码在新建 Map 实例时，就指定了两个键 name 和 title。

Map 构造函数接受数组作为参数，实际上执行的是下面的算法。

const items = [
  ["name", "张三"],
  ["title", "Author"],
];

const map = new Map();

items.forEach(([key, value]) => map.set(key, value));

事实上，不仅仅是数组，任何具有 Iterator 接口、且每个成员都是一个双元素的数组的数据结构(详见《Iterator》一章)都可以当作 Map 构造函数的参数。这就是说，Set 和 Map 都可以用来生成新的 Map。

const set = new Set([
  ["foo", 1],
  ["bar", 2],
]);
const m1 = new Map(set);
m1.get("foo"); // 1

const m2 = new Map([["baz", 3]]);
const m3 = new Map(m2);
m3.get("baz"); // 3

上面代码中，我们分别使用 Set 对象和 Map 对象，当作 Map 构造函数的参数，结果都生成了新的 Map 对象。

如果对同一个键多次赋值，后面的值将覆盖前面的值。

const map = new Map();

map.set(1, "aaa").set(1, "bbb");

map.get(1); // "bbb"

上面代码对键 1 连续赋值两次，后一次的值覆盖前一次的值。

如果读取一个未知的键，则返回 undefined。

new Map().get("asfddfsasadf");
// undefined

注意，只有对同一个对象的引用，Map 结构才将其视为同一个键。这一点要非常小心。

const map = new Map();

map.set(["a"], 555);
map.get(["a"]); // undefined

上面代码的 set 和 get 方法，表面是针对同一个键，但实际上这是两个值，内存地址是不一样的，因此 get 方法无法读取该键，返回 undefined。

同理，同样的值的两个实例，在 Map 结构中被视为两个键。

const map = new Map();

const k1 = ["a"];
const k2 = ["a"];

map.set(k1, 111).set(k2, 222);

map.get(k1); // 111
map.get(k2); // 222

上面代码中，变量 k1 和 k2 的值是一样的，但是它们在 Map 结构中被视为两个键。

由上可知，Map 的键实际上是跟内存地址绑定的，只要内存地址不一样，就视为两个键。这就解决了同名属性碰撞(clash)的问题，我们扩展别人的库的时候，如果使用对象作为键名，就不用担心自己的属性与原作者的属性同名。

如果 Map 的键是一个简单类型的值(数字、字符串、布尔值)，则只要两个值严格相等，Map 将其视为一个键，比如 0 和 -0 就是一个键，布尔值 true 和字符串 true 则是两个不同的键。另外，undefined 和 null 也是两个不同的键。虽然 NaN 不严格相等于自身，但 Map 将其视为同一个键。

let map = new Map();

map.set(-0, 123);
map.get(+0); // 123

map.set(true, 1);
map.set("true", 2);
map.get(true); // 1

map.set(undefined, 3);
map.set(null, 4);
map.get(undefined); // 3

map.set(NaN, 123);
map.get(NaN); // 123

实例的属性和操作方法

Map 结构的实例有以下属性和操作方法。

size 属性

size 属性返回 Map 结构的成员总数。

const map = new Map();
map.set("foo", true);
map.set("bar", false);

map.size; // 2

set(key, value)
set 方法设置键名 key 对应的键值为 value，然后返回整个 Map 结构。如果 key 已经有值，则键值会被更新，否则就新生成该键。
```
const m = new Map();

m.set("edition", 6); // 键是字符串
m.set(262, "standard"); // 键是数值
m.set(undefined, "nah"); // 键是 undefined
```
set 方法返回的是当前的 Map 对象，因此可以采用链式写法。
```
let map = new Map().set(1, "a").set(2, "b").set(3, "c");
```

get(key)

get 方法读取 key 对应的键值，如果找不到 key，返回 undefined。

const m = new Map();

const hello = function () {
  console.log("hello");
};
m.set(hello, "Hello ES6!"); // 键是函数

m.get(hello); // Hello ES6!

has(key)

has 方法返回一个布尔值，表示某个键是否在当前 Map 对象之中。

const m = new Map();

m.set("edition", 6);
m.set(262, "standard");
m.set(undefined, "nah");

m.has("edition"); // true
m.has("years"); // false
m.has(262); // true
m.has(undefined); // true

delete(key)

delete 方法删除某个键，返回 true。如果删除失败，返回 false。

const m = new Map();
m.set(undefined, "nah");
m.has(undefined); // true

m.delete(undefined);
m.has(undefined); // false

clear()

clear 方法清除所有成员，没有返回值。

let map = new Map();
map.set("foo", true);
map.set("bar", false);

map.size; // 2
map.clear();
map.size; // 0

遍历方法

Map 结构原生提供三个遍历器生成函数和一个遍历方法。

keys(): 返回键名的遍历器。
values(): 返回键值的遍历器。
entries(): 返回所有成员的遍历器。
forEach(): 遍历 Map 的所有成员。

需要特别注意的是，Map 的遍历顺序就是插入顺序。

const map = new Map([
  ["F", "no"],
  ["T", "yes"],
]);

for (let key of map.keys()) {
  console.log(key);
}
// "F"
// "T"

for (let value of map.values()) {
  console.log(value);
}
// "no"
// "yes"

for (let item of map.entries()) {
  console.log(item[0], item[1]);
}
// "F" "no"
// "T" "yes"

// 或者
for (let [key, value] of map.entries()) {
  console.log(key, value);
}
// "F" "no"
// "T" "yes"

// 等同于使用map.entries()
for (let [key, value] of map) {
  console.log(key, value);
}
// "F" "no"
// "T" "yes"

上面代码最后的那个例子，表示 Map 结构的默认遍历器接口(Symbol.iterator 属性)，就是 entries 方法。

map[Symbol.iterator] === map.entries;
// true

Map 结构转为数组结构，比较快速的方法是使用扩展运算符(...)。

const map = new Map([
  [1, 'one'],
  [2, 'two'],
  [3, 'three'],
]);

[...map.keys()]
// [1, 2, 3]

[...map.values()]
// ['one', 'two', 'three']

[...map.entries()]
// [[1,'one'], [2, 'two'], [3, 'three']]

[...map]
// [[1,'one'], [2, 'two'], [3, 'three']]

结合数组的 map 方法、filter 方法，可以实现 Map 的遍历和过滤(Map 本身没有 map 和 filter 方法)。

const map0 = new Map().set(1, "a").set(2, "b").set(3, "c");

const map1 = new Map([...map0].filter(([k, v]) => k < 3));
// 产生 Map 结构 {1 => 'a', 2 => 'b'}

const map2 = new Map([...map0].map(([k, v]) => [k * 2, "_" + v]));
// 产生 Map 结构 {2 => '_a', 4 => '_b', 6 => '_c'}

此外，Map 还有一个 forEach 方法，与数组的 forEach 方法类似，也可以实现遍历。

map.forEach(function (value, key, map) {
  console.log("Key: %s, Value: %s", key, value);
});

forEach 方法还可以接受第二个参数，用来绑定 this。

const reporter = {
  report: function (key, value) {
    console.log("Key: %s, Value: %s", key, value);
  },
};

map.forEach(function (value, key, map) {
  this.report(key, value);
}, reporter);

上面代码中，forEach 方法的回调函数的 this，就指向 reporter。

与其他数据结构的互相转换

Map 转为数组

前面已经提过，Map 转为数组最方便的方法，就是使用扩展运算符(...)。

const myMap = new Map().set(true, 7).set({ foo: 3 }, ["abc"]);
[...myMap];
// [ [ true, 7 ], [ { foo: 3 }, [ 'abc' ] ] ]

数组转为 Map

将数组传入 Map 构造函数，就可以转为 Map。

new Map([
  [true, 7],
  [{ foo: 3 }, ["abc"]],
]);
// Map {
//   true => 7,
//   Object {foo: 3} => ['abc']
// }

Map 转为对象

如果所有 Map 的键都是字符串，它可以无损地转为对象。

function strMapToObj(strMap) {
  let obj = Object.create(null);
  for (let [k, v] of strMap) {
    obj[k] = v;
  }
  return obj;
}

const myMap = new Map().set("yes", true).set("no", false);
strMapToObj(myMap);
// { yes: true, no: false }

如果有非字符串的键名，那么这个键名会被转成字符串，再作为对象的键名。

对象转为 Map

function objToStrMap(obj) {
  let strMap = new Map();
  for (let k of Object.keys(obj)) {
    strMap.set(k, obj[k]);
  }
  return strMap;
}

objToStrMap({ yes: true, no: false });
// Map {"yes" => true, "no" => false}

Map 转为 JSON

Map 转为 JSON 要区分两种情况。一种情况是，Map 的键名都是字符串，这时可以选择转为对象 JSON。

function strMapToJson(strMap) {
  return JSON.stringify(strMapToObj(strMap));
}

let myMap = new Map().set("yes", true).set("no", false);
strMapToJson(myMap);
// '{"yes":true,"no":false}'

另一种情况是，Map 的键名有非字符串，这时可以选择转为数组 JSON。

function mapToArrayJson(map) {
  return JSON.stringify([...map]);
}

let myMap = new Map().set(true, 7).set({ foo: 3 }, ["abc"]);
mapToArrayJson(myMap);
// '[[true,7],[{"foo":3},["abc"]]]'

JSON 转为 Map

JSON 转为 Map，正常情况下，所有键名都是字符串。

function jsonToStrMap(jsonStr) {
  return objToStrMap(JSON.parse(jsonStr));
}

jsonToStrMap('{"yes": true, "no": false}');
// Map {'yes' => true, 'no' => false}

但是，有一种特殊情况，整个 JSON 就是一个数组，且每个数组成员本身，又是一个有两个成员的数组。这时，它可以一一对应地转为 Map。这往往是 Map 转为数组 JSON 的逆操作。

function jsonToMap(jsonStr) {
  return new Map(JSON.parse(jsonStr));
}

jsonToMap('[[true,7],[{"foo":3},["abc"]]]');
// Map {true => 7, Object {foo: 3} => ['abc']}

WeakMap

WeakMap 含义

WeakMap 结构与 Map 结构类似，也是用于生成键值对的集合。

// WeakMap 可以使用 set 方法添加成员
const wm1 = new WeakMap();
const key = { foo: 1 };
wm1.set(key, 2);
wm1.get(key); // 2

// WeakMap 也可以接受一个数组，
// 作为构造函数的参数
const k1 = [1, 2, 3];
const k2 = [4, 5, 6];
const wm2 = new WeakMap([
  [k1, "foo"],
  [k2, "bar"],
]);
wm2.get(k2); // "bar"

WeakMap 与 Map 的区别有两点。

首先，WeakMap 只接受对象作为键名(null 除外)，不接受其他类型的值作为键名。

const map = new WeakMap();
map.set(1, 2);
// TypeError: 1 is not an object!
map.set(Symbol(), 2);
// TypeError: Invalid value used as weak map key
map.set(null, 2);
// TypeError: Invalid value used as weak map key

上面代码中，如果将数值 1 和 Symbol 值作为 WeakMap 的键名，都会报错。

其次，WeakMap 的键名所指向的对象，不计入垃圾回收机制。

WeakMap 的设计目的在于，有时我们想在某个对象上面存放一些数据，但是这会形成对于这个对象的引用。请看下面的例子。

const e1 = document.getElementById("foo");
const e2 = document.getElementById("bar");
const arr = [
  [e1, "foo 元素"],
  [e2, "bar 元素"],
];

上面代码中，e1 和 e2 是两个对象，我们通过 arr 数组对这两个对象添加一些文字说明。这就形成了 arr 对 e1 和 e2 的引用。

一旦不再需要这两个对象，我们就必须手动删除这个引用，否则垃圾回收机制就不会释放 e1 和 e2 占用的内存。

// 不需要 e1 和 e2 的时候
// 必须手动删除引用
arr[0] = null;
arr[1] = null;

上面这样的写法显然很不方便。一旦忘了写，就会造成内存泄露。

WeakMap 就是为了解决这个问题而诞生的，它的键名所引用的对象都是弱引用，即垃圾回收机制不将该引用考虑在内。因此，只要所引用的对象的其他引用都被清除，垃圾回收机制就会释放该对象所占用的内存。也就是说，一旦不再需要，WeakMap 里面的键名对象和所对应的键值对会自动消失，不用手动删除引用。

基本上，如果您要往对象上添加数据，又不想干扰垃圾回收机制，就可以使用 WeakMap。一个典型应用场景是，在网页的 DOM 元素上添加数据，就可以使用 WeakMap 结构。当该 DOM 元素被清除，其所对应的 WeakMap 记录就会自动被移除。

const wm = new WeakMap();

const element = document.getElementById("example");

wm.set(element, "some information");
wm.get(element); // "some information"

上面代码中，先新建一个 Weakmap 实例。然后，将一个 DOM 节点作为键名存入该实例，并将一些附加信息作为键值，一起存放在 WeakMap 里面。这时，WeakMap 里面对 element 的引用就是弱引用，不会被计入垃圾回收机制。

也就是说，上面的 DOM 节点对象的引用计数是 1，而不是 2。这时，一旦消除对该节点的引用，它占用的内存就会被垃圾回收机制释放。Weakmap 保存的这个键值对，也会自动消失。

总之，WeakMap 的专用场合就是，它的键所对应的对象，可能会在将来消失。WeakMap 结构有助于防止内存泄漏。

注意，WeakMap 弱引用的只是键名，而不是键值。键值依然是正常引用。

const wm = new WeakMap();
let key = {};
let obj = { foo: 1 };

wm.set(key, obj);
obj = null;
wm.get(key);
// Object {foo: 1}

上面代码中，键值 obj 是正常引用。所以，即使在 WeakMap 外部消除了 obj 的引用，WeakMap 内部的引用依然存在。

WeakMap 与 Map 在 API 上的区别主要是两个，一是没有遍历操作(即没有 keys()、values() 和 entries() 方法)，也没有 size 属性。因为没有办法列出所有键名，某个键名是否存在完全不可预测，跟垃圾回收机制是否运行相关。这一刻可以取到键名，下一刻垃圾回收机制突然运行了，这个键名就没了，为了防止出现不确定性，就统一规定不能取到键名。二是无法清空，即不支持 clear 方法。因此，WeakMap 只有四个方法可用: get()、set()、has()、delete()。

const wm = new WeakMap();

// size、forEach、clear 方法都不存在
wm.size; // undefined
wm.forEach; // undefined
wm.clear; // undefined

WeakMap 的示例

WeakMap 的例子很难演示，因为无法观察它里面的引用会自动消失。此时，其他引用都解除了，已经没有引用指向 WeakMap 的键名了，导致无法证实那个键名是不是存在。

贺师俊老师提示open in new window，如果引用所指向的值占用特别多的内存，就可以通过 Node.js 的 process.memoryUsage 方法看出来。根据这个思路，网友vtxfopen in new window补充了下面的例子。

首先，打开 Node.js 命令行。

node --expose-gc

上面代码中，--expose-gc 参数表示允许手动执行垃圾回收机制。

然后，执行下面的代码。

// 手动执行一次垃圾回收，保证获取的内存使用状态准确
> global.gc();
undefined

// 查看内存占用的初始状态，heapUsed 为 4M 左右
> process.memoryUsage();
{ rss: 21106688,
  heapTotal: 7376896,
  heapUsed: 4153936,
  external: 9059 }

> let wm = new WeakMap();
undefined

// 新建一个变量 key，指向一个 5*1024*1024 的数组
> let key = new Array(5 * 1024 * 1024);
undefined

// 设置 WeakMap 实例的键名，也指向 key 数组
// 这时，key 数组实际被引用了两次，
// 变量 key 引用一次，WeakMap 的键名引用了第二次
// 但是，WeakMap 是弱引用，对于引擎来说，引用计数还是1
> wm.set(key, 1);
WeakMap {}

> global.gc();
undefined

// 这时内存占用 heapUsed 增加到 45M 了
> process.memoryUsage();
{ rss: 67538944,
  heapTotal: 7376896,
  heapUsed: 45782816,
  external: 8945 }

// 清除变量 key 对数组的引用，
// 但没有手动清除 WeakMap 实例的键名对数组的引用
> key = null;
null

// 再次执行垃圾回收
> global.gc();
undefined

// 内存占用 heapUsed 变回 4M 左右，
// 可以看到 WeakMap 的键名引用没有阻止 gc 对内存的回收
> process.memoryUsage();
{ rss: 20639744,
  heapTotal: 8425472,
  heapUsed: 3979792,
  external: 8956 }

上面代码中，只要外部的引用消失，WeakMap 内部的引用，就会自动被垃圾回收清除。由此可见，有了 WeakMap 的帮助，解决内存泄漏就会简单很多。

WeakMap 的用途

前文说过，WeakMap 应用的典型场合就是 DOM 节点作为键名。下面是一个例子。

let myElement = document.getElementById("logo");
let myWeakmap = new WeakMap();

myWeakmap.set(myElement, { timesClicked: 0 });

myElement.addEventListener(
  "click",
  function () {
    let logoData = myWeakmap.get(myElement);
    logoData.timesClicked++;
  },
  false,
);

上面代码中，myElement 是一个 DOM 节点，每当发生 click 事件，就更新一下状态。我们将这个状态作为键值放在 WeakMap 里，对应的键名就是 myElement。一旦这个 DOM 节点删除，该状态就会自动消失，不存在内存泄漏风险。

WeakMap 的另一个用处是部署私有属性。

const _counter = new WeakMap();
const _action = new WeakMap();

class Countdown {
  constructor(counter, action) {
    _counter.set(this, counter);
    _action.set(this, action);
  }
  dec() {
    let counter = _counter.get(this);
    if (counter < 1) return;
    counter--;
    _counter.set(this, counter);
    if (counter === 0) {
      _action.get(this)();
    }
  }
}

const c = new Countdown(2, () => console.log("DONE"));

c.dec();
c.dec();
// DONE

上面代码中，Countdown 类的两个内部属性 _counter 和 _action，是实例的弱引用，所以如果删除实例，它们也就随之消失，不会造成内存泄漏。

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Set 和 Map 数据结构

Set 和 Map 数据结构

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基本用法

Set 实例的属性和方法

遍历操作

WeakSet

含义

语法

Map

含义和基本用法

实例的属性和操作方法

遍历方法

与其他数据结构的互相转换

WeakMap

WeakMap 含义

WeakMap 的语法

WeakMap 的示例

WeakMap 的用途

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