如何提高JSON.stringify()的性能？

時間  2019-11-08
標籤 如何 提高 json.stringify json stringify 性能 欄目 JSON 简体版
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1. 熟悉的JSON.stringify()

在瀏覽器端或服務端，JSON.stringify()都是咱們很經常使用的方法：html

  • 將 JSON object 存儲到 localStorage 中；
  • POST 請求中的 JSON body；
  • 處理響應體中的 JSON 形式的數據；
  • 甚至某些條件下，咱們還會用它來實現一個簡單的深拷貝；
  • ……

在一些性能敏感的場合下（例如服務端處理大量併發），或面對大量 stringify 的操做時，咱們會但願它的性能更好，速度更快。這也催生了一些優化的 stringify 方案/庫，下圖是它們與原生方法的性能對比：git

綠色部分時原生JSON.stringify()，可見性能相較這些庫都要低不少。那麼，在大幅的性能提高背後的技術原理是什麼呢？github

2. 比 stringify 更快的 stringify

因爲 JavaScript 是動態性很強的語言，因此對於一個 Object 類型的變量，其包含的鍵名、鍵值、鍵值類型最終只能在運行時肯定。所以，執行JSON.stringify()時會有不少工做要作。在一無所知的狀況下，咱們想要大幅優化顯然無能爲力。正則表達式

那麼若是咱們知道這個 Object 中的鍵名、鍵值信息呢 —— 也就是知道它的結構信息，這會有幫助麼？json

看個例子：數組

下面這個 Object，瀏覽器

const obj = {
    name: 'alienzhou',
    status: 6,
    working: true
};

咱們對它應用JSON.stringify()，獲得結果爲安全

JSON.stringify(obj);
// {"name":"alienzhou","status":6,"working":true}

如今若是咱們知道這個obj的結構是固定的：併發

  • 鍵名不變
  • 鍵值的類型必定

那麼其實，我能夠建立一個「定製化」的 stringify 方法app

function myStringify(o) {
    return (
        '{"name":"'
        + o.name
        + '","status":'
        + o.status
        + ',"isWorking":'
        + o.working
        + '}'
    );
}

看看咱們的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}

能夠獲得正確的結果，但只用到了類型轉換和字符串拼接，因此「定製化」方法可讓「stringify」更快。

總結來看，如何獲得比 stringify 更快的 stringify 方法呢？

  1. 須要先肯定對象的結構信息；
  2. 根據其結構信息，爲該種結構的對象建立「定製化」的stringify方法，其內部實際是經過字符串拼接生成結果的；
  3. 最後，使用該「定製化」的方法來 stringify 對象便可。

這也是大多數 stringify 加速庫的套路，轉化爲代碼就是相似：

import faster from 'some_library_faster_stringify';

// 1. 經過相應規則，定義你的對象結構
const theObjectScheme = {
    // ……
};

// 2. 根據結構，獲得一個定製化的方法
const stringify = faster(theObjectScheme);

// 3. 調用方法，快速 stringify
const target = {
    // ……
};
stringify(target);

3. 如何生成「定製化」的方法

根據上面的分析，核心功能在於，根據其結構信息，爲該類對象建立「定製化」的stringify方法，其內部實際是簡單的屬性訪問與字符串拼接。

爲了瞭解具體的實現方式，下面我以兩個實現上略有差別的開源庫爲例來簡單介紹一下。

3.1. fast-json-stringify

下圖是根據 fast-json-stringify 提供的 benchmark 結果，整理出來的性能對比。

能夠看到，在大多數場景下具有2-5倍的性能提高。

3.1.1. scheme 的定義方式

fast-json-stringify 使用了 JSON Schema Validation 來定義（JSON）對象的數據格式。其 scheme 定義的結構自己也是 JSON 格式的，例如對象

{
    name: 'alienzhou',
    status: 6,
    working: true
}

對應的 scheme 就是：

{
    title: 'Example Schema',
    type: 'object',
    properties: {
        name: {
            type: 'string'
        },
        status: {
            type: 'integer'
        },
        working: {
            type: 'boolean'
        }
    }
}

其 scheme 定義規則豐富，具體使用能夠參考 Ajv 這個 JSON 校驗庫。

3.1.2. stringify 方法的生成

fast-json-stringify 會根據剛纔定義的 scheme，拼接生成出實際的函數代碼字符串，而後使用 Function 構造函數在運行時動態生成對應的 stringify 函數。

在代碼生成上，首先它會注入預先定義好的各種工具方法，這一部分不一樣的 scheme 都是同樣的：

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，就會根據 scheme 定義的具體內容生成 stringify 函數的具體代碼。而生成的方式也比較簡單：經過遍歷 scheme。

遍歷 scheme 時，根據定義的類型，在對應代碼處插入相應的工具函數用於鍵值轉換。例如上面例子中name這個屬性：

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變量保存的就是最後生成的函數體的代碼串。因爲在 scheme 定義中，name爲string類型，且不爲空，因此會在code中添加以下一段代碼字符串：

"json += $asString(obj['name'])"
因爲還須要處理數組、及聯對象等複雜狀況，實際的代碼省略了不少。

而後，生成的完整的code字符串大體以下：

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換方法 */

/* $main 就是 stringify 的主體函數 */
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'])
    }

    // …… 其餘屬性(status、working)的拼接

    json += '}'
    return json
}

return $main

最後，將code字符串傳入 Function 構造函數來建立相應的 stringify 函數。

// dependencies 主要用於處理包含 anyOf 與 if 語法的狀況
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"，但實際上是一個 "fast" 的 stringify 庫（命名很調皮）。

The slowest stringifier in the known universe. Just kidding, it's the fastest (:

它的實現比前面提到的 fast-json-stringify 更輕量級，思路也很巧妙。同時它在不少場景下效率會比 fast-json-stringify 更快。

3.2.1. scheme 的定義方式

slow-json-stringify 的 scheme 定義更天然與簡單，主要就是將鍵值替換爲類型描述。仍是上面這個對象的例子，scheme 會變爲

{
    name: 'string',
    status: 'number',
    working: 'boolean'
}

確實很是直觀。

3.2.2. stringify 方法的生成

不知道你注意到沒有

// scheme
{
    name: 'string',
    status: 'number',
    working: 'boolean'
}

// 目標對象
{
    name: 'alienzhou',
    status: 6,
    working: true
}

scheme 和原對象的結構是否是很像？

這種 scheme 的巧妙之處在於，這樣定義以後，咱們能夠先把 scheme JSON.stringify一下，而後「扣去」全部類型值，最後等着咱們的就是把實際的值直接填充到 scheme 對應的類型聲明處。

具體如何操做呢？

首先，能夠直接對 scheme 調用JSON.stringify()來生成基礎模版，同時借用JSON.stringify()的第二個參數來做爲遍歷方法收集屬性的訪問路徑：

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，map 裏收集全部屬性的訪問路徑。同時生成的props能夠拼接爲匹配相應類型字符還的正則表達式，例如咱們這個例子裏的正則表達式爲/name|status|working"(string|number|boolean|undef)"|\\[(.*?)\\]/。

而後，根據正則表達式來順序匹配這些屬性，替換掉屬性類型的字符串，換成統一的佔位字符串"__par__"，並基於"__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__');

這樣你就會獲得chunks和props兩個數組。chunks裏包含了被分割的 JSON 字符串。以例子來講，兩個數組分別以下

// chunks
[
    '{"name":"',
    '","status":"',
    '","working":"',
    '"}'
]

// props
[
    'name',
    'status',
    'working'
]

最後，因爲 map 中保存了屬性名與訪問路徑的映射，所以能夠根據 prop 訪問到對象中某個屬性的值，循環遍歷數組，將其與對應的 chunks 拼接便可。

從代碼量和實現方式來看，這個方案會更輕便與巧妙，同時也不須要經過 Function、eval 等方式動態生成或執行函數。

4. 總結

雖然不一樣庫的實現有差別，但從總體思路上來講，實現高性能 stringify 的方式都是同樣的：

  1. 開發者定義 Object 的 JSON scheme；
  2. stringify 庫根據 scheme 生成對應的模版方法，模版方法裏會對屬性與值進行字符串拼接（顯然，屬性訪問與字符串拼接的效率要高多了）；
  3. 最後開發者調用返回的方法來 stringify Object 便可。

歸根到底，它本質上是經過靜態的結構信息將優化與分析前置了。

Tips

最後，仍是想提一下

  • 全部的 benchmark 只能做爲一個參考，具體是否有性能提高、提高多少仍是建議你在實際的業務中測試；
  • fast-json-stringify 中使用到了 Function 構造函數，所以建議不要將用戶輸入直接用做 scheme，以防一些安全問題。
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