1. 熟悉的JSON.stringify()

在瀏覽器端或服務端，JSON.stringify()都是我們很常用的方法：

• 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(shù)據(jù)；
• 甚至某些條件下，我們還會用它來實現(xiàn)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并發(fā)），或面對大量 stringify 的操作時，我們會希望它的性能更好，速度更快。這也催生了一些優(yōu)化的 stringify 方案/庫，下圖是它們與原生方法的性能對比：

綠色部分時原生JSON.stringify()，可見性能相較這些庫都要低很多。那么，在大幅的性能提升背后的技術原理是什么呢？

2. 比 stringify 更快的 stringify

由于 JavaScript 是動態(tài)性很強的語言，所以對于一個 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確定。因此，執(zhí)行JSON.stringify()時會有很多工作要做。在一無所知的情況下，我們想要大幅優(yōu)化顯然無能為力。

那么如果我們知道這個 Object 中的鍵名、鍵值信息呢 —— 也就是知道它的結構信息，這會有幫助么？

看個例子：

下面這個 Object，

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

我們對它應用JSON.stringify()，得到結果為

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

現(xiàn)在如果我們知道這個obj的結構是固定的：

• 鍵名不變
• 鍵值的類型一定

那么其實，我可以創(chuàng)建一個“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} 

可以得到正確的結果，但只用到了類型轉換和字符串拼接，所以“定制化”方法可以讓“stringify”更快。

總結來看，如何得到比 stringify 更快的 stringify 方法呢？

需要先確定對象的結構信息； 根據(jù)其結構信息，為該種結構的對象創(chuàng)建“定制化”的stringify方法，其內(nèi)部實際是通過字符串拼接生成結果的； 最后，使用該“定制化”的方法來 stringify 對象即可。

這也是大多數(shù) stringify 加速庫的套路，轉化為代碼就是類似：

import faster from 'some_library_faster_stringify'; 
// 1. 通過相應規(guī)則，定義你的對象結構 
const theObjectScheme = { 
 // …… 
}; 
// 2. 根據(jù)結構，得到一個定制化的方法 
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)其結構信息，為該類對象創(chuàng)建“定制化”的stringify方法，其內(nèi)部實際是簡單的屬性訪問與字符串拼接。

為了了解具體的實現(xiàn)方式，下面我以兩個實現(xiàn)上略有差異的開源庫為例來簡單介紹一下。

3.1. fast-json-stringify

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

可以看到，在大多數(shù)場景下具備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 來定義（JSON）對象的數(shù)據(jù)格式。其 scheme 定義的結構本身也是 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(guī)則豐富，具體使用可以參考 Ajv 這個 JSON 校驗庫。

3.1.2. stringify 方法的生成

fast-json-stringify 會根據(jù)剛才定義的 scheme，拼接生成出實際的函數(shù)代碼字符串，然后使用 Function 構造函數(shù)在運行時動態(tài)生成對應的 stringify 函數(shù)。

在代碼生成上，首先它會注入預先定義好的各類工具方法，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單：通過遍歷 scheme。

遍歷 scheme 時，根據(jù)定義的類型，在對應代碼處插入相應的工具函數(shù)用于鍵值轉換。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變量保存的就是最后生成的函數(shù)體的代碼串。由于在 scheme 定義中，name為string類型，且不為空，所以會在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)對象等復雜情況，實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 

最后，將code字符串傳入 Function 構造函數(shù)來創(chuàng)建相應的 stringify 函數(shù)。

// dependencies 主要用于處理包含 anyOf 與 if 語法的情況 
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"，但其實是一個 "fast" 的 stringify 庫（命名很調(diào)皮）。

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

它的實現(xiàn)比前面提到的 fast-json-stringify 更輕量級，思路也很巧妙。同時它在很多場景下效率會比 fast-json-stringify 更快。

3.2.1. scheme 的定義方式

slow-json-stringify 的 scheme 定義更自然與簡單，主要就是將鍵值替換為類型描述。還是上面這個對象的例子，scheme 會變?yōu)?/p>

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

確實非常直觀。

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

scheme 和原對象的結構是不是很像？

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”所有類型值，最后等著我們的就是把實際的值直接填充到 scheme 對應的類型聲明處。

具體如何操作呢？

首先，可以直接對 scheme 調(diào)用JSON.stringify()來生成基礎模版，同時借用JSON.stringify()的第二個參數(shù)來作為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 里收集所有屬性的訪問路徑。同時生成的props可以拼接為匹配相應類型字符還的正則表達式，例如我們這個例子里的正則表達式為/name|status|working"(string|number|boolean|undef)"|\\[(.*?)\\]/。

然后，根據(jù)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(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__'); 

這樣你就會得到chunks和props兩個數(shù)組。chunks里包含了被分割的 JSON 字符串。以例子來說，兩個數(shù)組分別如下

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

最后，由于 map 中保存了屬性名與訪問路徑的映射，因此可以根據(jù) prop 訪問到對象中某個屬性的值，循環(huán)遍歷數(shù)組，將其與對應的 chunks 拼接即可。

從代碼量和實現(xiàn)方式來看，這個方案會更輕便與巧妙，同時也不需要通過 Function、eval 等方式動態(tài)生成或執(zhí)行函數(shù)。

4. 總結

雖然不同庫的實現(xiàn)有差異，但從整體思路上來說，實現(xiàn)高性能 stringify 的方式都是一樣的：

• 開發(fā)者定義 Object 的 JSON scheme；
• stringify 庫根據(jù) scheme 生成對應的模版方法，模版方法里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）；
• 最后開發(fā)者調(diào)用返回的方法來 stringify Object 即可。

歸根到底，它本質(zhì)上是通過靜態(tài)的結構信息將優(yōu)化與分析前置了。

Tips

最后，還是想提一下

所有的 benchmark 只能作為一個參考，具體是否有性能提升、提升多少還是建議你在實際的業(yè)務中測試；

fast-json-stringify 中使用到了 Function 構造函數(shù)，因此建議不要將用戶輸入直接用作 scheme，以防一些安全問題。

以上就是本文的全部內(nèi)容，希望對大家的學習有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。

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