JavaScript 工做原理之十四－解析，語法抽象樹及最小化解析時間的 5 條小技巧

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這是 JavaScript 工做原理的第十四章。

概述

咱們都知道運行一大段 JavaScript 代碼性能會變得很糟糕。代碼不只僅須要在網絡中傳輸並且還須要解析，編譯爲字節碼，最後運行。以前的文章討論了諸如 JS 引擎，運行時及調用棧，還有爲 Google Chrome 和 NodeJS 普遍使用的 V8 引擎的話題。它們都在整個 JavaScript 的運行過程當中扮演着重要的角色。

今天所講的主題也很是重要：瞭解到大多數的 JavaScript 引擎是如何把文本解析爲機器可以理解的代碼，轉換以後發生的事情以及開發者如何利用這一知識。

編程語言原理

那麼，首先讓咱們回顧一下編程語言原理。不管使用何種編程語言，你常常須要一些軟件來處理源碼以便讓計算機可以理解。該軟件能夠是解釋器或編譯器。無論是使用解釋型語言(JavaScript, Python, Ruby) 或者編譯型語言(C#, Java, Rust)，它們都有一個共同點：把源碼做爲純文本解析爲語法抽象樹(AST)的數據結構。AST 不只要以結構化地方式展現源碼，並且在語義分析中扮演了重要的角色，編譯器檢查驗證程序和語言元素的語法使用是否正確。以後， 使用 AST 來生成實際的字節碼或者機器碼。

AST 程序

AST 不止應用於語言解釋器和編譯器，在計算機世界中，還有其它用途。最爲常見的用途之一即靜態代碼分析。靜態代碼分析並不會運行輸入的代碼。可是，它們仍然須要理解代碼的結構。好比，實現一個工具來找出常見的代碼結構以便用來代碼重構減小重複代碼。或許你可使用字符串比較來實現，可是工具會至關簡單且有侷限性。固然了，若是你有興趣實現這樣的工具，你沒必要本身動手去編寫解析器，有許多完美兼容於 Ecmascript 規範的開源項目。Esprima 和 Acorn 便是黃金搭檔。還有其它工具能夠用來幫助解析器輸出代碼，即 ASTs.ASTs 被普遍應用於代碼轉換。舉個栗子，你可能想實現一個轉換器用來轉換 Python 代碼爲 JavaScript.大體的思路即便用 Python 代碼轉換器來生成 AST，而後使用該 AST 來生成 JavaScript 代碼。你可能會以爲難以置信。事實是 ASTs 只是部分語言的不一樣表示法。在解析以前，它表現爲文本，該文本遵照着構成語言的一些語法規則。解析以後，它表現爲一種樹狀結構，該結構所包含的信息和輸入文本幾乎同樣。所以，也能夠進行反向解析而後回到文本。

JavaScript 解析

讓咱們看一下 AST 的構造。以以下一個簡單 JavaScript 函數爲例子：

function foo(x) {
    if (x > 10) {
        var a = 2;
        return a * x;
    }

    return x + 10;
}
複製代碼

解析器會產生以下的 AST。

請注意，這裏爲了展現用只是解析器輸出的簡化版本。實際的 AST 要更加複雜。然而，這裏的意思即瞭解一下運行源碼以前的第一個步驟。能夠訪問 AST Explorer 來查看實際的 AST 樹。這是一個在線工具，你能夠在上面寫 JavaScript 代碼，而後網站會輸出目標代碼的 AST。

也許你會問爲何我得學習 JavaScript 解析器的工做原理。反正，瀏覽器會負責運行 JavaScript 代碼。你有那麼一丁點是正確的。如下圖表展現了 JavaScript 運行過程當中不一樣階段的耗時。瞪大眼睛瞅瞅，也許你能夠發現點有趣的東西。

發現沒？一般狀況下，瀏覽器大概消耗了 15% 到 20% 的總運行時間來解析 JavaScript.我沒有具體統計過這些數值。這些統計數據來自於現實世界中程序和網站的各類 JavaScript 使用姿式。 如今也許 15% 看起來不是不少，但相信我，不少的。一個典型的單頁程序會加載大約 0.4M 的 JavaScript 代碼，而後消耗掉瀏覽器大概 370ms 的時間來進行解析。也許你會又說，這也不是不少嘛。自己花費的時間並很少。但記住了，這只是把 JavaScript 代碼轉化爲 ASTs 所消耗的時間。其中不包含運行自己的時間或者頁面加載期間其它諸如 CSS 和 HTML 渲染的過程的耗時。這僅僅只是桌面瀏覽器所面臨的問題。移動瀏覽器的狀況會更加複雜。通常狀況下，手機移動瀏覽器解析代碼的時間是桌面瀏覽器的 2-5 倍。

以上圖表展現了不一樣移動和桌面瀏覽器解析 1MB JavaScript 代碼所消耗的時間。

另外，爲了得到更多類原生的用戶體驗而把愈來愈多的業務邏輯堆積在前端，網頁程序變得愈來愈複雜。網頁程序愈來愈胖，都快走不動了。你能夠輕易地想到網絡應用受到的性能影響。只需打開瀏覽器開發者工具，而後使用該工具來檢測解析，編譯及其它發生於瀏覽器中直到頁面徹底加載所消耗的時間。

不幸的是，移動瀏覽器沒有開發者工具來進行性能檢測。不用擔憂。由於有 DeviceTiming 工具。它能夠用來幫助檢測受控環境中腳本的解析和運行時間。它經過插入代碼來封裝本地代碼，這樣每當從不一樣設備訪問的時候，能夠本地測量解析和運行時間。

好事即 JavaScript 引擎作了大量的工做來避免冗餘工做及更加高效。如下爲主流瀏覽器使用的技術。

例如，V8 實現了 script 流和代碼緩存技術。Script 流即當腳本開始下載的時候，async 和 deferred 的腳本在單獨的線程中進行解析。這意味着解析會在腳本下載完成時當即完成。這會提高 10% 的頁面加載速度。

每當訪問頁面的時候，JavaScript 代碼一般會被編譯爲字節碼。可是，當用戶訪問另外一個頁面的時候，該字節碼會做廢。這是由於編譯的代碼嚴重依賴於編譯階段機器的狀態和上下文。從 Chrome 42 開始帶來了字節碼緩存。該技術會本地緩存編譯過的代碼，這樣當用戶返回到同一頁面的時候，諸以下載，解析和編譯等全部步驟都會被跳過。這樣就會爲 Chrome 節約大概 40% 的代碼解析和編譯時間。另外，這一樣會節省手機電量。

Opera 中，Carakan 引擎能夠複用另外一個程序最近編譯過的輸出。不要求代碼在同一頁面或是相同域名下。該緩存技術很是高效且能夠徹底跳過編譯步驟。它依賴於典型的用戶行爲和瀏覽場景：每當用戶在程序/網站上遵循特定的用戶瀏覽習慣，則會加載相同的 JavaScript 代碼。然而，Carakan 早就被谷歌 V8 引擎所取代。

Firefox 使用的 SpiderMonkey 引擎沒有使用任何的緩存技術。它能夠過渡到監視階段，在那裏記錄腳本運行次數。基於此計算，它推導出頻繁使用而能夠被優化的代碼部分。

很明顯地，一些人選擇不作任何處理。Safari 首席開發者 Maciej Stachowiak 指出 Safari 不緩存編譯的字節碼。他們可能已經想到了緩存技術但並沒付諸實施，由於生成代碼的耗時小於總運行時間的 2%。

這些優化措施沒有直接影響 JavaScript 源碼的解析時間，可是會盡量徹底避免。畢竟聊勝於無。

有許多方法能夠用來減小程序的初始化加載時間。最小化加載的 JavaScript 數量：代碼越少，解析耗時越少，運行時間越少。爲了達到此目的，能夠用特殊的方法傳輸必需的代碼而不是一股勞地加載一大坨代碼。好比，PRPL 模式即表示該種代碼傳輸類型。或者，能夠檢查依賴而後查看是否有無用、冗餘的依賴致使代碼庫的膨脹。然而，這些東西須要很大的篇幅來進行討論。

本文的目標即開發者如何幫助加快 JavaScript 解析器的解析速度。現代 JavaScript 解析器使用 heuristics(啓發法) 來決定是否當即運行指定的代碼片斷或者推遲在將來的某個時候運行。基於這些 heuristics，解析器會進行當即或者懶解析。當即解析會運行須要當即編譯的函數。其主要作三件事：構建 AST，構建做用域層級，而後檢查全部的語法錯誤。而懶解析只運行未編譯的函數，它不構建 AST和檢查任何語法錯誤。只構建做用域層級，這樣相對於當即解析會節省大約一半的時間。

顯然，這並非一個新概念。甚至像 IE9 這樣老掉牙的瀏覽器也支持該優化技術，雖然和現代解析器的工做方式相比是以一種簡陋的方式實現的。

舉個栗子吧。假設有以下代碼片斷：

function foo() {
    function bar(x) {
        return x + 10;
    }

    function baz(x, y) {
        return x + y;
    }

    console.log(baz(100, 200));
}
複製代碼

和以前代碼相似，把代碼輸入解析器進行語法分析而後輸出 AST。這樣表述以下：

聲明 bar 函數接收 x 參數。有一個返回語句。函數返回 x 和 10 相加的結果。

聲明 baz 函數接收兩個參數(x 和 y)。有一個返回語句。函數函數 x 和 y 相加結果。

調用 baz 函數傳入 100 和 2。

調用 console.log 參數爲以前函數調用的返回值。

那麼期間發生了什麼呢？解析器發現了 bar 函數聲明， baz 函數聲明，調用 bar 函數及調用 console.log 函數。然而，解析器作了徹底不相關的額外無用功即解析 bar 函數。爲什麼不相關？由於函數 bar 從未被調用(或者至少不是在對應時間點上)。這只是一個簡單示例及可能有些不一樣尋常，可是在現實生活的許多程序中，許多函數聲明從未被調用過。

這裏不解析 bar 函數，該函數聲明瞭卻沒有指出其用途。只在須要的時候在函數運行前進行真正的解析。懶解析仍然只須要找出整個函數體而後爲其聲明。它不須要語法樹因其將不會被處理。另外，它不從內存堆中分配內存，而這會消耗至關一部分系統資源。簡而言之，跳過這些步驟能夠有巨大的性能提高。

因此以前的例子，解析器實際上會像以下這樣解析：

注意到這裏僅僅只是確認函數 bar 聲明。沒有進入 bar 函數體。當前狀況下，函數體只有一句簡單的返回語句。然而，正如現代世界中的大多數程序那樣，函數體可能會更加龐大，包含多個返回語句，條件語句，循環，變量聲明甚至嵌套函數聲明。因爲函數從未被調用，這徹底是在浪費時間和系統資源。

實際上這是一個至關簡單的概念，然而其實現是很是難的。不侷限於以上示例。整個方法還能夠應用於函數，循環，條件語句，對象等等。通常狀況下，全部代碼都須要解析。

例如，如下是一個實現 JavaScript 模塊的至關常見的模式。

var myModule = (function() {
  // 整個模塊的邏輯
  // 返回模塊對象
})();
複製代碼

該模式能夠被大多數現代 JavaScript 解析器識別且標識裏面的代碼須要當即解析。

那麼爲什麼解析器不都使用懶解析呢？若是懶解析一些代碼，而該代碼必須當即運行，這樣就會下降代碼運行速度。須要運行一次懶解析以後進行另外一個當即解析。和當即解析相比，運行速度會下降 50%。

如今，對解析器底層原理有了大體的理解，是時候考慮如何幫助提升解析器的解析速度了。能夠以這樣的方式編寫代碼，這樣就能夠在正確的時間解析函數。這裏有一個爲大多數解析器所識別的模式：使用括號封裝函數。這樣會告訴解析器須要當即函數。若是解析器看到一個左括號且以後爲函數聲明，它會當即解析該函數。能夠經過顯式聲明當即運行函數來幫助解析器加快解析速度。

假設有一個 foo 函數

function foo(x) {
    return x * 10;
}
複製代碼

由於沒有明顯地標識代表須要當即運行該函數因此瀏覽器會進行懶解析。然而，咱們肯定這是不對的，那麼能夠運行兩個步驟。

首先，把函數存儲爲一變量。

var foo = function foo(x) {
    return x * 10;
};
複製代碼

注意，在 function 關鍵字和函數參數的左括號之間的函數名。這並非必要的，但推薦這樣作，由於當拋出異常錯誤的時候，堆棧追蹤會包含實際的函數名而不是 。

解析器仍然會作懶解析。能夠作一個微小的改動來解決這一問題：用括號封裝函數。

var foo = (function foo(x) {
    return x * 10;
});
複製代碼

如今，解析器看見 function 關鍵字前的左括號便會當即進行解析。

因須要知道解析器在何種狀況下懶解析或者當即解析代碼，因此可操做性會不好。一樣地，開發者須要花時間考慮指定的函數是否須要當即解析。確定沒人想費力地這麼作。最後，這確定會讓代碼難以閱讀和理解。可使用 Optimize.js 來處理此類狀況。該工具只是用來優化 JavaScript 源代碼的初始加載時間。他們對代碼運行靜態分析，而後經過使用括號封裝須要當即運行的函數以便瀏覽器當即解析並準備運行它們。

那麼，能夠如日常雜編碼而後一小段代碼以下：

(function() {
    console.log('Hello, World!');
})();
複製代碼

一切看起來很美好，由於在函數聲明前添加了左括號。固然，在進入生產環境以前須要進行代碼壓縮。如下爲壓縮工具的輸出：

!function(){console.log('Hello, World!')}();
複製代碼

看起來一切正常。代碼如期運行。然而好像少了什麼。壓縮工具移除了封裝函數的括號代之以一個感嘆號。這意味着解析器會跳過該代碼且將會運行懶解析。總之，爲了運行該函數解析器會在懶解析以後進行當即解析。這會致使代碼運行變慢。幸運的是，能夠利用 Optimize.js 來解決此類問題。傳給 Optimize.js 壓縮過的代碼會輸出以下代碼：

!(function(){console.log('Hello, World!')})();
複製代碼

如今，充分利用了各自的優點：壓縮代碼且解析器正確地識別懶解析和當即解析的函數。

預編譯

可是爲什麼不在服務端進行這些工做呢？總之，比強制各個客戶端重複作該項事情更好的作法是隻運行一次並在客戶端輸出結果。那麼，有一個正在進行的討論即引擎是否須要提供一個運行預編譯代碼的功能以節省瀏覽器的運行時間。本質上，該思路即便用服務端工具來生成字節碼，這樣就只須要傳輸字節碼並在客戶端運行。以後，將會看到啓動時間上的一些主要差別。這聽起來頗有誘惑性但實現起來會很難。可能會有反效果，由於它將會很龐大且因爲安全緣由頗有可能須要進行簽名和處理。例如，V8 團隊已經在內部解決重複解析問題，這樣預編譯有可能實際上沒啥鳥用。

一些提高網絡應用速度的建議

• 檢查依賴。減小沒必要要的依賴。
• 分割代碼爲更小的塊而不是一整塊。如 webpack 的 code-spliting 功能。
• 儘量延遲加載 JavaScript 代碼。能夠只加載當前路由所要求的代碼片斷。好比只在點擊某個元素的時候引入 某段代碼模塊。
• 使用開發者工具和 DeviceTiming 來檢測性能瓶頸。
• 使用像 Optimize.js 的工具來幫助解析器選擇當即解析或者懶解析以加快解析速度。

拓展

有時候，特別是手機端瀏覽器，好比當你點擊前進/後退按鈕的時候，瀏覽器會進行緩存。可是在有些場景下，你可能不須要瀏覽器的這種功能。有以下解決辦法：

window.addEventListener('pageshow', (event) => {
  // 檢查前進/後退緩存，是否從緩存加載頁面
  if (event.persisted || window.performance && 
    window.performance.navigation.type === 2) {
    // 進行相應的邏輯處理
  }
};
複製代碼

招賢納士

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