測試JavaScript函數(shù)的性能
在軟件中，性能一直扮演著重要的角色。在Web應(yīng)用中，性能變得更加重要，因為如果頁面速度很慢的話，用戶就會很容易轉(zhuǎn)去訪問我們的競爭對手的網(wǎng)站。作為專業(yè)的web開發(fā)人員，我們必須要考慮這個問題。有很多“古老”的關(guān)于性能優(yōu)化的***實踐在今天依然可行，例如最小化請求數(shù)目，使用CDN以及不編寫阻塞頁面渲染的代碼。然而，隨著越來越多的web應(yīng)用都在使用JavaScript，確保我們的代碼運行的很快就變得很重要。
假設(shè)你有一個正在工作的函數(shù)，但是你懷疑它運行得沒有期望的那樣快，并且你有一個改善它性能的計劃。那怎么去證明這個假設(shè)呢?在今天，有什么***實踐可以用來測試JavaScript函數(shù)的性能呢?一般來說，完成這個任務(wù)的***方式是使用內(nèi)置的performance.now()函數(shù)，來衡量函數(shù)運行前和運行后的時間。
在這篇文章中，我們會討論如何衡量代碼運行時間，以及有哪些技術(shù)可以避免一些常見的“陷阱”。
Performance.now()
高分辨率時間API提供了一個名為now()的函數(shù)，它返回一個DOMHighResTimeStamp對象，這是一個浮點數(shù)值，以毫秒級別(精確到千分之一毫秒)顯示當(dāng)前時間。單獨這個數(shù)值并不會為你的分析帶來多少價值，但是兩個這樣的數(shù)值的差值，就可以精確描述過去了多少時間。
這個函數(shù)除了比內(nèi)置的Date對象更加精確以外，它還是“單調(diào)”的，簡單說，這意味著它不會受操作系統(tǒng)(例如，你筆記本上的操作系統(tǒng))周期性修改系統(tǒng)時間影響。更簡單的說，定義兩個Date實例，計算它們的差值，并不代表過去了多少時間。
“單調(diào)性”的數(shù)學(xué)定義是“(一個函數(shù)或者數(shù)值)以從不減少或者從不增加的方式改變”。
我們可以從另外一種途徑來解釋它，即想象使用它來在一年中讓時鐘向前或者向后改變。例如，當(dāng)你所在國家的時鐘都同意略過一個小時，以便***化利用白天的時間。如果你在時鐘修改之前創(chuàng)建了一個Date實例，然后在修改之后創(chuàng)建了另外一個，那么查看這兩個實例的差值，看上去可能像“1小時零3秒又123毫秒”。而使用兩個performance.now()實例，差值會是“3秒又123毫秒456789之一毫秒”。
在這一節(jié)中，我不會涉及這個API的過多細(xì)節(jié)。如果你想學(xué)習(xí)更多相關(guān)知識或查看更多如何使用它的示例，我建議你閱讀這篇文章：Discovering the High Resolution Time API。
既然你知道高分辨率時間API是什么以及如何使用它，那么讓我們繼續(xù)深入看一下它有哪些潛在的缺點。但是在此之前，我們定義一個名為makeHash()的函數(shù)，在這篇文章剩余的部分，我們會使用它。
- function makeHash(source) {
- var hash = 0;
- if (source.length === 0) return hash;
- for (var i = 0; i < source.length; i++) {
- var char = source.charCodeAt(i);
- hash = ((hash<<5)-hash)+char;
- hash = hash & hash; // Convert to 32bit integer
- }
- return hash;
- }
我們可以通過下面的代碼來衡量這個函數(shù)的執(zhí)行效率：
- var t0 = performance.now();
- var result = makeHash('Peter');
- var t1 = performance.now();
- console.log('Took', (t1 - t0).toFixed(4), 'milliseconds to generate:', result);
如果你在瀏覽器中運行這些代碼，你應(yīng)該看到類似下面的輸出：
- Took 0.2730 milliseconds to generate: 77005292
這段代碼的在線演示如下所示：
記住這個示例后，讓我們開始下面的討論。
缺陷1 – 意外衡量不重要的事情
在上面的示例中，你可以注意到，我們在兩次調(diào)用performance.now()中間只調(diào)用了makeHash()函數(shù)，然后將它的值賦給result變量。這給我們提供了函數(shù)的執(zhí)行時間，而沒有其他的干擾。我們也可以按照下面的方式來衡量代碼的效率：
- var t0 = performance.now();
- console.log(makeHash('Peter')); // bad idea!
- var t1 = performance.now();
- console.log('Took', (t1 - t0).toFixed(4), 'milliseconds');
這個代碼片段的在線演示如下所示：
但是在這種情況下，我們將會測量調(diào)用makeHash(‘Peter’)函數(shù)花費的時間，以及將結(jié)果發(fā)送并打印到控制臺上花費的時間。我們不知道這兩個操作中每個操作具體花費多少時間， 只知道總的時間。而且，發(fā)送和打印輸出的操作所花費的時間會依賴于所用的瀏覽器，甚至依賴于當(dāng)時的上下文。
或許你已經(jīng)***的意識到console.log方式是不可以預(yù)測的。但是執(zhí)行多個函數(shù)同樣是錯誤的，即使每個函數(shù)都不會觸發(fā)I/O操作。例如：
- var t0 = performance.now();
- var name = 'Peter';
- var result = makeHash(name.toLowerCase()).toString();
- var t1 = performance.now();
- console.log('Took', (t1 - t0).toFixed(4), 'milliseconds to generate:', result);
同樣，我們不會知道執(zhí)行時間是怎么分布的。它會是賦值操作、調(diào)用toLowerCase()函數(shù)或者toString()函數(shù)嗎?
缺陷 #2 – 只衡量一次
另外一個常見的錯誤是只衡量一次，然后匯總花費的時間，并以此得出結(jié)論。很可能執(zhí)行不同的次數(shù)會得出完全不同的結(jié)果。執(zhí)行時間依賴于很多因素：
- 編輯器熱身的時間(例如，將代碼編譯成字節(jié)碼的時間)
- 主線程可能正忙于其它一些我們沒有意識到的事情
- 你的電腦的CPU可能正忙于一些會拖慢瀏覽器速度的事情
持續(xù)改進(jìn)的方法是重復(fù)執(zhí)行函數(shù)，就像這樣：
- var t0 = performance.now();
- for (var i = 0; i < 10; i++) {
- makeHash('Peter');
- }
- var t1 = performance.now();
- console.log('Took', ((t1 - t0) / 10).toFixed(4), 'milliseconds to generate');
這個示例的在線演示如下所示：
這種方法的風(fēng)險在于我們的瀏覽器的JavaScript引擎可能會使用一些優(yōu)化措施，這意味著當(dāng)我們第二次調(diào)用函數(shù)時，如果輸入時相同的，那么JavaScript引擎可能會記住了***次調(diào)用的輸出，然后簡單的返回這個輸出。為了解決這個問題，你可以使用很多不同的輸入字符串，而不用重復(fù)的使用相同的輸入(例如‘Peter’)。顯然，使用不同的輸入進(jìn)行測試帶來的問題就是我們衡量的函數(shù)會花費不同的時間。或許其中一些輸入會花費比其它輸入更長的執(zhí)行時間。
缺陷 #3 – 太依賴平均值
在上一節(jié)中，我們學(xué)習(xí)到的一個很好的實踐是重復(fù)執(zhí)行一些操作，理想情況下使用不同的輸入。然而，我們要記住使用不同的輸入帶來的問題，即某些輸入的執(zhí)行時間可能會花費所有其它輸入的執(zhí)行時間都長。這樣讓我們退一步來使用相同的輸入。假設(shè)我們發(fā)送同樣的輸入十次，每次都打印花費了多長時間。我們會得到像這樣的輸出：
- Took 0.2730 milliseconds to generate: 77005292
- Took 0.0234 milliseconds to generate: 77005292
- Took 0.0200 milliseconds to generate: 77005292
- Took 0.0281 milliseconds to generate: 77005292
- Took 0.0162 milliseconds to generate: 77005292
- Took 0.0245 milliseconds to generate: 77005292
- Took 0.0677 milliseconds to generate: 77005292
- Took 0.0289 milliseconds to generate: 77005292
- Took 0.0240 milliseconds to generate: 77005292
- Took 0.0311 milliseconds to generate: 77005292
請注意***次時間和其它九次的時間完全不一樣。這很可能是因為瀏覽器中的JavaScript引擎使用了優(yōu)化措施，需要一些熱身時間。我們基本上沒有辦法避免這種情況，但是會有一些好的補(bǔ)救措施來阻止我們得出一些錯誤的結(jié)論。
一種方式是去計算后面9次的平均時間。另外一種更加使用的方式是收集所有的結(jié)果，然后計算“中位數(shù)”。基本上，它會將所有的結(jié)果排列起來，對結(jié)果進(jìn)行排序，然后取中間的一個值。這是performance.now()函數(shù)如此有用的地方，因為無論你做什么，你都可以得到一個數(shù)值。
讓我們再試一次，這次我們使用中位數(shù)函數(shù)：
- var numbers = [];
- for (var i=0; i < 10; i++) {
- var t0 = performance.now();
- makeHash('Peter');
- var t1 = performance.now();
- numbers.push(t1 - t0);
- }
- function median(sequence) {
- sequence.sort(); // note that direction doesn't matter
- return sequence[Math.ceil(sequence.length / 2)];
- }
- console.log('Median time', median(numbers).toFixed(4), 'milliseconds');
缺陷 #4 – 以可預(yù)測的方式比較函數(shù)
我們已經(jīng)理解衡量一些函數(shù)很多次并取平均值總會是一個好主意。而且，上面的示例告訴我們使用中位數(shù)要比平均值更好。
在實際中，衡量函數(shù)執(zhí)行時間的一個很好的用處是來了解在幾個函數(shù)中，哪個更快。假設(shè)我們有兩個函數(shù)，它們的輸入?yún)?shù)類型一致，輸出結(jié)果相同，但是它們的內(nèi)部實現(xiàn)機(jī)制不一樣。
例如，我們希望有一個函數(shù)，當(dāng)特定的字符串在一個字符串?dāng)?shù)組中存在時，函數(shù)返回true或者false，但這個函數(shù)在比較字符串時不關(guān)心大小寫。換句話說，我們不能直接使用Array.prototype.indexOf方法，因為這個方法是大小寫敏感的。下面是這個函數(shù)的一個實現(xiàn)：
- function isIn(haystack, needle) {
- var found = false;
- haystack.forEach(function(element) {
- if (element.toLowerCase() === needle.toLowerCase()) {
- found = true;
- }
- });
- return found;
- }
- console.log(isIn(['a','b','c'], 'B')); // true
- console.log(isIn(['a','b','c'], 'd')); // false
我們可以立刻發(fā)現(xiàn)這個方法有改進(jìn)的地方，因為haystack.forEach循環(huán)總會遍歷所有的元素，即使我們可以很快找到一個匹配的元素。現(xiàn)在讓我們使用for循環(huán)來編寫一個更好的版本。
- function isIn(haystack, needle) {
- for (var i = 0, len = haystack.length; i < len; i++) {
- if (haystack[i].toLowerCase() === needle.toLowerCase()) {
- return true;
- }
- }
- return false;
- }
- console.log(isIn(['a','b','c'], 'B')); // true
- console.log(isIn(['a','b','c'], 'd')); // false
現(xiàn)在我們來看哪個函數(shù)更快一些。我們可以分別運行每個函數(shù)10次，然后收集所有的測量結(jié)果：
- function isIn1(haystack, needle) {
- var found = false;
- haystack.forEach(function(element) {
- if (element.toLowerCase() === needle.toLowerCase()) {
- found = true;
- }
- });
- return found;
- }
- function isIn2(haystack, needle) {
- for (var i = 0, len = haystack.length; i < len; i++) {
- if (haystack[i].toLowerCase() === needle.toLowerCase()) {
- return true;
- }
- }
- return false;
- }
- console.log(isIn1(['a','b','c'], 'B')); // true
- console.log(isIn1(['a','b','c'], 'd')); // false
- console.log(isIn2(['a','b','c'], 'B')); // true
- console.log(isIn2(['a','b','c'], 'd')); // false
- function median(sequence) {
- sequence.sort(); // note that direction doesn't matter
- return sequence[Math.ceil(sequence.length / 2)];
- }
- function measureFunction(func) {
- var letters = 'a,b,c,d,e,f,g,h,i,j,k,l,m,n,o,p,q,r,s,t,u,v,w,x,y,z'.split(',');
- var numbers = [];
- for (var i = 0; i < letters.length; i++) {
- var t0 = performance.now();
- func(letters, letters[i]);
- var t1 = performance.now();
- numbers.push(t1 - t0);
- }
- console.log(func.name, 'took', median(numbers).toFixed(4));
- }
- measureFunction(isIn1);
- measureFunction(isIn2);
我們運行上面的代碼， 可以得出如下的輸出：
- true
- false
- true
- false
- isIn1 took 0.0050
- isIn2 took 0.0150
這個示例的在線演示如下所示：
到底發(fā)生了什么?***個函數(shù)的速度要快3倍!那不是我們假設(shè)的情況。
其實假設(shè)很簡單，但是有些微妙。***個函數(shù)使用了haystack.forEach方法，瀏覽器的JavaScript引擎會為它提供一些底層的優(yōu)化，但是當(dāng)我們使用數(shù)據(jù)索引技術(shù)時，JavaScript引擎沒有提供對應(yīng)的優(yōu)化。這告訴我們：在真正測試之前，你永遠(yuǎn)不會知道。
結(jié)論
在我們試圖解釋如何使用performance.now()方法得到JavaScript精確執(zhí)行時間的過程中，我們偶然發(fā)現(xiàn)了一個基準(zhǔn)場景，它的運行結(jié)果和我們的直覺相反。問題在于，如果你想要編寫更快的web應(yīng)用，我們需要優(yōu)化JavaScript代碼。因為計算機(jī)(幾乎)是一個活生生的東西，它很難預(yù)測，有時會帶來“驚喜”，所以如果了解我們代碼是否運行更快，最可靠的方式就是編寫測試代碼并進(jìn)行比較。
當(dāng)我們有多種方式來做一件事情時，我們不知道哪種方式運行更快的另一個原因是要考慮上下文。在上一節(jié)中，我們執(zhí)行一個大小寫不敏感的字符串查詢來尋找1個字符串是否在其它26個字符串中。當(dāng)我們換一個角度來比較1個字符串是否在其他100,000個字符串中時，結(jié)論可能是完全不同的。
上面的列表不是很完整的，因為還有更多的缺陷需要我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。例如，測試不現(xiàn)實的場景或者只在JavaScript引擎上測試。但是確定的是對于JavaScript開發(fā)者來說，如果你想編寫更好更快的Web應(yīng)用，performance.now()是一個很棒的方法。***但并非最不重要，請謹(jǐn)記衡量執(zhí)行時間只是“更好的代碼”的一反面。我們還要考慮內(nèi)存消耗以及代碼復(fù)雜度。
怎么樣?你是否曾經(jīng)使用這個函數(shù)來測試你的代碼性能?如果沒有，那你是怎么來測試性能的?請在下面的評論中分享你的想法，讓我們開始討論吧!
