如何提升JSON.stringify()的性能？
1. 熟悉的JSON.stringify()
在瀏覽器端或服務(wù)端，JSON.stringify()都是我們很常用的方法：
- 將 JSON object 存儲(chǔ)到 localStorage 中；
- POST 請(qǐng)求中的 JSON body；
- 處理響應(yīng)體中的 JSON 形式的數(shù)據(jù)；
- 甚至某些條件下，我們還會(huì)用它來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的深拷貝；
- ……
在一些性能敏感的場(chǎng)合下（例如服務(wù)端處理大量并發(fā)），或面對(duì)大量 stringify 的操作時(shí)，我們會(huì)希望它的性能更好，速度更快。這也催生了一些優(yōu)化的 stringify 方案/庫(kù)，下圖是它們與原生方法的性能對(duì)比：
綠色部分時(shí)原生JSON.stringify()，可見(jiàn)性能相較這些庫(kù)都要低很多。那么，在大幅的性能提升背后的技術(shù)原理是什么呢？
2. 比 stringify 更快的 stringify
由于 JavaScript 是動(dòng)態(tài)性很強(qiáng)的語(yǔ)言，所以對(duì)于一個(gè) Object 類(lèi)型的變量，其包含的鍵名、鍵值、鍵值類(lèi)型最終只能在運(yùn)行時(shí)確定。因此，執(zhí)行JSON.stringify()時(shí)會(huì)有很多工作要做。在一無(wú)所知的情況下，我們想要大幅優(yōu)化顯然無(wú)能為力。
那么如果我們知道這個(gè) Object 中的鍵名、鍵值信息呢 —— 也就是知道它的結(jié)構(gòu)信息，這會(huì)有幫助么？
看個(gè)例子：
下面這個(gè) Object，
- const obj = {
- name: 'alienzhou',
- status: 6,
- working: true
- };
我們對(duì)它應(yīng)用JSON.stringify()，得到結(jié)果為
- JSON.stringify(obj);
- // {"name":"alienzhou","status":6,"working":true}
現(xiàn)在如果我們知道這個(gè)obj的結(jié)構(gòu)是固定的：
- 鍵名不變
- 鍵值的類(lèi)型一定
那么其實(shí)，我可以創(chuàng)建一個(gè)“定制化”的 stringify 方法
- function myStringify(o) {
- return (
- '{"name":"'
- + o.name
- + '","status":'
- + o.status
- + ',"isWorking":'
- + o.working
- + '}'
- );
- }
看看我們的myStringify方法的輸出：
- myStringify({
- name: 'alienzhou',
- status: 6,
- working: true
- });
- // {"name":"alienzhou","status":6,"isWorking":true}
- myStringify({
- name: 'mengshou',
- status: 3,
- working: false
- });
- // {"name":"mengshou","status":3,"isWorking":false}
可以得到正確的結(jié)果，但只用到了類(lèi)型轉(zhuǎn)換和字符串拼接，所以“定制化”方法可以讓“stringify”更快。
總結(jié)來(lái)看，如何得到比 stringify 更快的 stringify 方法呢？
- 需要先確定對(duì)象的結(jié)構(gòu)信息；
- 根據(jù)其結(jié)構(gòu)信息，為該種結(jié)構(gòu)的對(duì)象創(chuàng)建“定制化”的stringify方法，其內(nèi)部實(shí)際是通過(guò)字符串拼接生成結(jié)果的；
- ***，使用該“定制化”的方法來(lái) stringify 對(duì)象即可。
這也是大多數(shù) stringify 加速庫(kù)的套路，轉(zhuǎn)化為代碼就是類(lèi)似：
- import faster from 'some_library_faster_stringify';
- // 1. 通過(guò)相應(yīng)規(guī)則，定義你的對(duì)象結(jié)構(gòu)
- const theObjectScheme = {
- // ……
- };
- // 2. 根據(jù)結(jié)構(gòu)，得到一個(gè)定制化的方法
- const stringify = faster(theObjectScheme);
- // 3. 調(diào)用方法，快速 stringify
- const target = {
- // ……
- };
- stringify(target);
3. 如何生成“定制化”的方法
根據(jù)上面的分析，核心功能在于，根據(jù)其結(jié)構(gòu)信息，為該類(lèi)對(duì)象創(chuàng)建“定制化”的stringify方法，其內(nèi)部實(shí)際是簡(jiǎn)單的屬性訪問(wèn)與字符串拼接。
為了了解具體的實(shí)現(xiàn)方式，下面我以兩個(gè)實(shí)現(xiàn)上略有差異的開(kāi)源庫(kù)為例來(lái)簡(jiǎn)單介紹一下。
3.1. fast-json-stringify
下圖是根據(jù) fast-json-stringify 提供的 benchmark 結(jié)果，整理出來(lái)的性能對(duì)比。
可以看到，在大多數(shù)場(chǎng)景下具備2-5倍的性能提升。
3.1.1. scheme 的定義方式
fast-json-stringify 使用了 JSON Schema Validation 來(lái)定義（JSON）對(duì)象的數(shù)據(jù)格式。其 scheme 定義的結(jié)構(gòu)本身也是 JSON 格式的，例如對(duì)象
- {
- name: 'alienzhou',
- status: 6,
- working: true
- }
對(duì)應(yīng)的 scheme 就是：
- {
- title: 'Example Schema',
- type: 'object',
- properties: {
- name: {
- type: 'string'
- },
- status: {
- type: 'integer'
- },
- working: {
- type: 'boolean'
- }
- }
- }
其 scheme 定義規(guī)則豐富，具體使用可以參考 Ajv 這個(gè) JSON 校驗(yàn)庫(kù)。
3.1.2. stringify 方法的生成
fast-json-stringify 會(huì)根據(jù)剛才定義的 scheme，拼接生成出實(shí)際的函數(shù)代碼字符串，然后使用 Function 構(gòu)造函數(shù)在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)生成對(duì)應(yīng)的 stringify 函數(shù)。
在代碼生成上，首先它會(huì)注入預(yù)先定義好的各類(lèi)工具方法，這一部分不同的 scheme 都是一樣的：
- var code = `
- 'use strict'
- `
- code += `
- ${$asString.toString()}
- ${$asStringNullable.toString()}
- ${$asStringSmall.toString()}
- ${$asNumber.toString()}
- ${$asNumberNullable.toString()}
- ${$asIntegerNullable.toString()}
- ${$asNull.toString()}
- ${$asBoolean.toString()}
- ${$asBooleanNullable.toString()}
- `
其次，就會(huì)根據(jù) scheme 定義的具體內(nèi)容生成 stringify 函數(shù)的具體代碼。而生成的方式也比較簡(jiǎn)單：通過(guò)遍歷 scheme。
遍歷 scheme 時(shí)，根據(jù)定義的類(lèi)型，在對(duì)應(yīng)代碼處插入相應(yīng)的工具函數(shù)用于鍵值轉(zhuǎn)換。例如上面例子中name這個(gè)屬性：
- var accessor = key.indexOf('[') === 0 ? sanitizeKey(key) : `['${sanitizeKey(key)}']`
- switch (type) {
- case 'null':
- code += `
- json += $asNull()
- `
- break
- case 'string':
- code += nullable ? `json += obj${accessor} === null ? null : $asString(obj${accessor})` : `json += $asString(obj${accessor})`
- break
- case 'integer':
- code += nullable ? `json += obj${accessor} === null ? null : $asInteger(obj${accessor})` : `json += $asInteger(obj${accessor})`
- break
- ……
上面代碼中的code變量保存的就是***生成的函數(shù)體的代碼串。由于在 scheme 定義中，name為string類(lèi)型，且不為空，所以會(huì)在code中添加如下一段代碼字符串：
- "json += $asString(obj['name'])"
由于還需要處理數(shù)組、及聯(lián)對(duì)象等復(fù)雜情況，實(shí)際的代碼省略了很多。
然后，生成的完整的code字符串大致如下：
- function $asString(str) {
- // ……
- }
- function $asStringNullable(str) {
- // ……
- }
- function $asStringSmall(str) {
- // ……
- }
- function $asNumber(i) {
- // ……
- }
- function $asNumberNullable(i) {
- // ……
- }
- /* 以上是一系列通用的鍵值轉(zhuǎn)換方法 */
- /* $main 就是 stringify 的主體函數(shù) */
- function $main(input) {
- var obj = typeof input.toJSON === 'function'
- ? input.toJSON()
- : input
- var json = '{'
- var addComma = false
- if (obj['name'] !== undefined) {
- if (addComma) {
- json += ','
- }
- addComma = true
- json += '"name":'
- json += $asString(obj['name'])
- }
- // …… 其他屬性(status、working)的拼接
- json += '}'
- return json
- }
- return $main
***，將code字符串傳入 Function 構(gòu)造函數(shù)來(lái)創(chuàng)建相應(yīng)的 stringify 函數(shù)。
- // dependencies 主要用于處理包含 anyOf 與 if 語(yǔ)法的情況
- dependenciesName.push(code)
- return (Function.apply(null, dependenciesName).apply(null, dependencies))
3.2. slow-json-stringify
slow-json-stringify 雖然名字叫 "slow"，但其實(shí)是一個(gè) "fast" 的 stringify 庫(kù)（命名很調(diào)皮）。
The slowest stringifier in the known universe. Just kidding, it's the fastest (:
它的實(shí)現(xiàn)比前面提到的 fast-json-stringify 更輕量級(jí)，思路也很巧妙。同時(shí)它在很多場(chǎng)景下效率會(huì)比 fast-json-stringify 更快。
3.2.1. scheme 的定義方式
slow-json-stringify 的 scheme 定義更自然與簡(jiǎn)單，主要就是將鍵值替換為類(lèi)型描述。還是上面這個(gè)對(duì)象的例子，scheme 會(huì)變?yōu)?nbsp;
- {
- name: 'string',
- status: 'number',
- working: 'boolean'
- }
確實(shí)非常直觀。
3.2.2. stringify 方法的生成
不知道你注意到?jīng)]有
- // scheme
- {
- name: 'string',
- status: 'number',
- working: 'boolean'
- }
- // 目標(biāo)對(duì)象
- {
- name: 'alienzhou',
- status: 6,
- working: true
- }
scheme 和原對(duì)象的結(jié)構(gòu)是不是很像？
這種 scheme 的巧妙之處在于，這樣定義之后，我們可以先把 scheme JSON.stringify一下，然后“扣去”所有類(lèi)型值，***等著我們的就是把實(shí)際的值直接填充到 scheme 對(duì)應(yīng)的類(lèi)型聲明處。
具體如何操作呢？
首先，可以直接對(duì) scheme 調(diào)用JSON.stringify()來(lái)生成基礎(chǔ)模版，同時(shí)借用JSON.stringify()的第二個(gè)參數(shù)來(lái)作為遍歷方法收集屬性的訪問(wèn)路徑：
- let map = {};
- const str = JSON.stringify(schema, (prop, value) => {
- const isArray = Array.isArray(value);
- if (typeof value !== 'object' || isArray) {
- if (isArray) {
- const current = value[0];
- arrais.set(prop, current);
- }
- _validator(value);
- map[prop] = _deepPath(schema, prop);
- props += `"${prop}"|`;
- }
- return value;
- });
此時(shí)，map 里收集所有屬性的訪問(wèn)路徑。同時(shí)生成的props可以拼接為匹配相應(yīng)類(lèi)型字符還的正則表達(dá)式，例如我們這個(gè)例子里的正則表達(dá)式為/name|status|working"(string|number|boolean|undef)"|\\[(.*?)\\]/。
然后，根據(jù)正則表達(dá)式來(lái)順序匹配這些屬性，替換掉屬性類(lèi)型的字符串，換成統(tǒng)一的占位字符串"__par__"，并基于"__par__"拆分字符串：
- const queue = [];
- const chunks = str
- .replace(regex, (type) => {
- switch (type) {
- case '"string"':
- case '"undefined"':
- return '"__par__"';
- case '"number"':
- case '"boolean"':
- case '["array-simple"]':
- case '[null]':
- return '__par__';
- default:
- const prop = type.match(/(?<=\").+?(?=\")/)[0];
- queue.push(prop);
- return type;
- }
- })
- .split('__par__');
這樣你就會(huì)得到chunks和props兩個(gè)數(shù)組。chunks里包含了被分割的 JSON 字符串。以例子來(lái)說(shuō)，兩個(gè)數(shù)組分別如下
- // chunks
- [
- '{"name":"',
- '","status":"',
- '","working":"',
- '"}'
- ]
- // props
- [
- 'name',
- 'status',
- 'working'
- ]
***，由于 map 中保存了屬性名與訪問(wèn)路徑的映射，因此可以根據(jù) prop 訪問(wèn)到對(duì)象中某個(gè)屬性的值，循環(huán)遍歷數(shù)組，將其與對(duì)應(yīng)的 chunks 拼接即可。
從代碼量和實(shí)現(xiàn)方式來(lái)看，這個(gè)方案會(huì)更輕便與巧妙，同時(shí)也不需要通過(guò) Function、eval 等方式動(dòng)態(tài)生成或執(zhí)行函數(shù)。
4. 總結(jié)
雖然不同庫(kù)的實(shí)現(xiàn)有差異，但從整體思路上來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)高性能 stringify 的方式都是一樣的：
- 開(kāi)發(fā)者定義 Object 的 JSON scheme；
- stringify 庫(kù)根據(jù) scheme 生成對(duì)應(yīng)的模版方法，模版方法里會(huì)對(duì)屬性與值進(jìn)行字符串拼接（顯然，屬性訪問(wèn)與字符串拼接的效率要高多了）；
- ***開(kāi)發(fā)者調(diào)用返回的方法來(lái) stringify Object 即可。
歸根到底，它本質(zhì)上是通過(guò)靜態(tài)的結(jié)構(gòu)信息將優(yōu)化與分析前置了。
Tips
***，還是想提一下
- 所有的 benchmark 只能作為一個(gè)參考，具體是否有性能提升、提升多少還是建議你在實(shí)際的業(yè)務(wù)中測(cè)試；
- fast-json-stringify 中使用到了 Function 構(gòu)造函數(shù)，因此建議不要將用戶輸入直接用作 scheme，以防一些安全問(wèn)題。
