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如何提升JSON.stringify()的性能?

在一些性能敏感的场合下(例如服务端处理大量并发),或面对大量 stringify 的操作时,我们会希望它的性能更好,速度更快。

作者:alienzhou来源:segmentfault|2019-06-11 15:25

 1. 熟悉的JSON.stringify()

在浏览器端或服务端,JSON.stringify()都是我们很常用的方法:

  •  将 JSON object 存储到 localStorage 中;
  •  POST 请求中的 JSON body;
  •  处理响应体中的 JSON 形式的数据;
  •  甚至某些条件下,我们还会用它来实现一个简单的深拷贝;
  •  ……

在一些性能敏感的场合下(例如服务端处理大量并发),或面对大量 stringify 的操作时,我们会希望它的性能更好,速度更快。这也催生了一些优化的 stringify 方案/库,下图是它们与原生方法的性能对比:

绿色部分时原生JSON.stringify(),可见性能相较这些库都要低很多。那么,在大幅的性能提升背后的技术原理是什么呢?

2. 比 stringify 更快的 stringify

由于 JavaScript 是动态性很强的语言,所以对于一个 Object 类型的变量,其包含的键名、键值、键值类型最终只能在运行时确定。因此,执行JSON.stringify()时会有很多工作要做。在一无所知的情况下,我们想要大幅优化显然无能为力。

那么如果我们知道这个 Object 中的键名、键值信息呢 —— 也就是知道它的结构信息,这会有帮助么?

看个例子:

下面这个 Object,

  1. const obj = {  
  2.     name: 'alienzhou',  
  3.     status: 6,  
  4.     working: true  
  5. }; 

我们对它应用JSON.stringify(),得到结果为

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

现在如果我们知道这个obj的结构是固定的:

  •  键名不变
  •  键值的类型一定

那么其实,我可以创建一个“定制化”的 stringify 方法

  1. function myStringify(o) {  
  2.     return (  
  3.         '{"name":"'  
  4.         + o.name  
  5.         + '","status":'  
  6.         + o.status  
  7.         + ',"isWorking":'  
  8.         + o.working  
  9.         + '}'  
  10.     );  

看看我们的myStringify方法的输出:

  1. myStringify({  
  2.     name: 'alienzhou',  
  3.     status: 6,  
  4.     working: true  
  5. });  
  6. // {"name":"alienzhou","status":6,"isWorking":true}  
  7. myStringify({  
  8.     name: 'mengshou',  
  9.     status: 3,  
  10.     working: false  
  11. });  
  12. // {"name":"mengshou","status":3,"isWorking":false} 

可以得到正确的结果,但只用到了类型转换和字符串拼接,所以“定制化”方法可以让“stringify”更快。

总结来看,如何得到比 stringify 更快的 stringify 方法呢?

  1.  需要先确定对象的结构信息;
  2.  根据其结构信息,为该种结构的对象创建“定制化”的stringify方法,其内部实际是通过字符串拼接生成结果的;
  3.  ***,使用该“定制化”的方法来 stringify 对象即可。

这也是大多数 stringify 加速库的套路,转化为代码就是类似:

  1. import faster from 'some_library_faster_stringify';  
  2. // 1. 通过相应规则,定义你的对象结构  
  3. const theObjectScheme = {  
  4.     // ……  
  5. };  
  6. // 2. 根据结构,得到一个定制化的方法  
  7. const stringify = faster(theObjectScheme);  
  8. // 3. 调用方法,快速 stringify  
  9. const target = {  
  10.     // ……  
  11. };  
  12. stringify(target); 

3. 如何生成“定制化”的方法

根据上面的分析,核心功能在于,根据其结构信息,为该类对象创建“定制化”的stringify方法,其内部实际是简单的属性访问与字符串拼接。

为了了解具体的实现方式,下面我以两个实现上略有差异的开源库为例来简单介绍一下。

3.1. fast-json-stringify

下图是根据 fast-json-stringify 提供的 benchmark 结果,整理出来的性能对比。

可以看到,在大多数场景下具备2-5倍的性能提升。

3.1.1. scheme 的定义方式

fast-json-stringify 使用了 JSON Schema Validation 来定义(JSON)对象的数据格式。其 scheme 定义的结构本身也是 JSON 格式的,例如对象

  1.  
  2.     name: 'alienzhou',  
  3.     status: 6,  
  4.     working: true  

对应的 scheme 就是:

  1.  
  2.     title: 'Example Schema',  
  3.     type: 'object',  
  4.     properties: {  
  5.         name: {  
  6.             type: 'string'  
  7.         },  
  8.         status: {  
  9.             type: 'integer'  
  10.         },  
  11.         working: {  
  12.             type: 'boolean'  
  13.         }  
  14.     }  

其 scheme 定义规则丰富,具体使用可以参考 Ajv 这个 JSON 校验库。

3.1.2. stringify 方法的生成

fast-json-stringify 会根据刚才定义的 scheme,拼接生成出实际的函数代码字符串,然后使用 Function 构造函数在运行时动态生成对应的 stringify 函数。

在代码生成上,首先它会注入预先定义好的各类工具方法,这一部分不同的 scheme 都是一样的:

  1. var code = `  
  2.     'use strict'  
  3.   `  
  4.   code += `  
  5.     ${$asString.toString()}  
  6.     ${$asStringNullable.toString()}  
  7.     ${$asStringSmall.toString()}  
  8.     ${$asNumber.toString()}  
  9.     ${$asNumberNullable.toString()}  
  10.     ${$asIntegerNullable.toString()}  
  11.     ${$asNull.toString()}  
  12.     ${$asBoolean.toString()}  
  13.     ${$asBooleanNullable.toString()}  
  14.   ` 

其次,就会根据 scheme 定义的具体内容生成 stringify 函数的具体代码。而生成的方式也比较简单:通过遍历 scheme。

遍历 scheme 时,根据定义的类型,在对应代码处插入相应的工具函数用于键值转换。例如上面例子中name这个属性:

  1. var accessor = key.indexOf('[') === 0 ? sanitizeKey(key) : `['${sanitizeKey(key)}']`  
  2. switch (type) {  
  3.     case 'null':  
  4.         code += `  
  5.             json += $asNull()  
  6.         `  
  7.         break  
  8.     case 'string':  
  9.         code += nullable ? `json += obj${accessor} === null ? null : $asString(obj${accessor})` : `json += $asString(obj${accessor})`  
  10.         break  
  11.     case 'integer':  
  12.         code += nullable ? `json += obj${accessor} === null ? null : $asInteger(obj${accessor})` : `json += $asInteger(obj${accessor})`  
  13.         break  
  14.     …… 

上面代码中的code变量保存的就是***生成的函数体的代码串。由于在 scheme 定义中,name为string类型,且不为空,所以会在code中添加如下一段代码字符串:

  1. "json += $asString(obj['name'])" 

由于还需要处理数组、及联对象等复杂情况,实际的代码省略了很多。

然后,生成的完整的code字符串大致如下:

  1. function $asString(str) {  
  2.     // ……  
  3.  
  4. function $asStringNullable(str) {  
  5.     // ……  
  6.  
  7. function $asStringSmall(str) {  
  8.     // ……  
  9.  
  10. function $asNumber(i) {  
  11.     // ……  
  12.  
  13. function $asNumberNullable(i) {  
  14.     // ……  
  15.  
  16. /* 以上是一系列通用的键值转换方法 */  
  17. /* $main 就是 stringify 的主体函数 */  
  18. function $main(input) {  
  19.     var obj = typeof input.toJSON === 'function'  
  20.         ? input.toJSON()  
  21.         : input  
  22.     var json = '{'  
  23.     var addComma = false  
  24.     if (obj['name'] !== undefined) {  
  25.         if (addComma) {  
  26.             json += ','  
  27.         }  
  28.         addComma = true  
  29.         json += '"name":'  
  30.         json += $asString(obj['name'])  
  31.     }  
  32.     // …… 其他属性(status、working)的拼接 
  33.     json += '}'  
  34.     return json  
  35.  
  36. return $main 

***,将code字符串传入 Function 构造函数来创建相应的 stringify 函数。

  1. // dependencies 主要用于处理包含 anyOf 与 if 语法的情况  
  2. dependenciesName.push(code)  
  3. return (Function.apply(null, dependenciesName).apply(null, dependencies)) 

3.2. slow-json-stringify

slow-json-stringify 虽然名字叫 "slow",但其实是一个 "fast" 的 stringify 库(命名很调皮)。

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

它的实现比前面提到的 fast-json-stringify 更轻量级,思路也很巧妙。同时它在很多场景下效率会比 fast-json-stringify 更快。

3.2.1. scheme 的定义方式

slow-json-stringify 的 scheme 定义更自然与简单,主要就是将键值替换为类型描述。还是上面这个对象的例子,scheme 会变为

  1.  
  2.     name: 'string',  
  3.     status: 'number',  
  4.     working: 'boolean'  

确实非常直观。

3.2.2. stringify 方法的生成

不知道你注意到没有

  1. // scheme  
  2.  
  3.     name: 'string',  
  4.     status: 'number',  
  5.     working: 'boolean'  
  6.  
  7. // 目标对象  
  8.  
  9.     name: 'alienzhou',  
  10.     status: 6,  
  11.     working: true  

scheme 和原对象的结构是不是很像?

这种 scheme 的巧妙之处在于,这样定义之后,我们可以先把 scheme JSON.stringify一下,然后“扣去”所有类型值,***等着我们的就是把实际的值直接填充到 scheme 对应的类型声明处。

具体如何操作呢?

首先,可以直接对 scheme 调用JSON.stringify()来生成基础模版,同时借用JSON.stringify()的第二个参数来作为遍历方法收集属性的访问路径:

  1. let map = {};  
  2. const str = JSON.stringify(schema, (prop, value) => {  
  3.     const isArray = Array.isArray(value);  
  4.     if (typeof value !== 'object' || isArray) {  
  5.         if (isArray) {  
  6.             const current = value[0];  
  7.             arrais.set(prop, current);  
  8.         }  
  9.         _validator(value);  
  10.         map[prop] = _deepPath(schema, prop);  
  11.         props += `"${prop}"|`;  
  12.     }  
  13.     return value;  
  14. }); 

此时,map 里收集所有属性的访问路径。同时生成的props可以拼接为匹配相应类型字符还的正则表达式,例如我们这个例子里的正则表达式为/name|status|working"(string|number|boolean|undef)"|\\[(.*?)\\]/。

然后,根据正则表达式来顺序匹配这些属性,替换掉属性类型的字符串,换成统一的占位字符串"__par__",并基于"__par__"拆分字符串:

  1. const queue = [];  
  2. const chunks = str  
  3.     .replace(regex, (type) => {  
  4.       switch (type) {  
  5.         case '"string"':  
  6.         case '"undefined"':  
  7.           return '"__par__"';  
  8.         case '"number"':  
  9.         case '"boolean"':  
  10.         case '["array-simple"]':  
  11.         case '[null]':  
  12.           return '__par__';  
  13.         default:  
  14.           const prop = type.match(/(?<=\").+?(?=\")/)[0];  
  15.           queue.push(prop);  
  16.           return type;  
  17.       }  
  18.     })  
  19.     .split('__par__'); 

这样你就会得到chunks和props两个数组。chunks里包含了被分割的 JSON 字符串。以例子来说,两个数组分别如下

  1. // chunks  
  2.  
  3.     '{"name":"',  
  4.     '","status":"',  
  5.     '","working":"',  
  6.     '"}'  
  7.  
  8. // props  
  9.  
  10.     'name',  
  11.     'status',  
  12.     'working'  

***,由于 map 中保存了属性名与访问路径的映射,因此可以根据 prop 访问到对象中某个属性的值,循环遍历数组,将其与对应的 chunks 拼接即可。

从代码量和实现方式来看,这个方案会更轻便与巧妙,同时也不需要通过 Function、eval 等方式动态生成或执行函数。

4. 总结

虽然不同库的实现有差异,但从整体思路上来说,实现高性能 stringify 的方式都是一样的:

  1.  开发者定义 Object 的 JSON scheme;
  2.  stringify 库根据 scheme 生成对应的模版方法,模版方法里会对属性与值进行字符串拼接(显然,属性访问与字符串拼接的效率要高多了);
  3.  ***开发者调用返回的方法来 stringify Object 即可。

归根到底,它本质上是通过静态的结构信息将优化与分析前置了。

Tips

***,还是想提一下

  •     所有的 benchmark 只能作为一个参考,具体是否有性能提升、提升多少还是建议你在实际的业务中测试;
  •     fast-json-stringify 中使用到了 Function 构造函数,因此建议不要将用户输入直接用作 scheme,以防一些安全问题。
【责任编辑:庞桂玉 TEL:(010)68476606】

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