高性能Javascript--高效的数据访问

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高性能Javascript--高效的数据访问

来源: 作者: 时间:2016-02-20 09:49 【

经典计算机科学的一个问题是,数据应当存放在什么地方,以实现最佳的读写效率。数据存储是否得当,关系到代码运行期间数据被检索到的速度。在Javascript中,此问题相对简单,因为
经典计算机科学的一个问题是,数据应当存放在什么地方,以实现最佳的读写效率。数据存储是否得当,关系到代码运行期间数据被检索到的速度。在Javascript中,此问题相对简单,因为数据表现方式只有少量方式可供选择。在Javascript中,有四种基本的数据访问位置:
 
Literal values 直接量 
直接量仅仅代表自己,而不存储于特定的位置。
Javascript的直接量包括:字符串(strings)、数字(numbers)、布尔值(booleans)、对象(objects)、数组(arrays)、函数(functions)、正则表达式(regular expressions),具有特殊意义的空值(null),以及未定义(undefined)。
Variables 变量
开发人员用var关键字创建用于存储数据值。
Array items 数组项
具有数字索引,存储一个Javascript数组对象。
Object members 对象成员
具有字符串索引,存储一个Javascript对象。
  每一种数据存储位置都具有特定的读写操作负担。在大多数情况下,对一个直接量和一个局部变量的数据访问的性能差异是微不足道的。具体而言,访问数组项和对象成员的代价要高一些,具体高多少,很大程度上取决于浏览器。一般的建议是,如果关心运行速度,那么尽量使用直接量和局部变量,限制数组项和对象成员的使用。为此,有如下几种模式,用于避免并优化我们的代码:
 
 
 
  Managing Scope 管理作用域
 
  作用域概念是理解Javascript的关键,无论是从性能还是功能的角度而言,作用域对Javascript有着巨大影响。要理解运行速度与作用域的关系,首先要理解作用域的工作原理。
 
 
 
  Scope Chains and Identifier Resolution 作用域链和标识符解析
 
  每一个Javascript函数都被表示为对象,它是一个函数实例。它包含我们定义的可访问属性,和一系列不能被程序访问,仅供Javascript引擎使用的内部属性,其中一个内部属性是[[Scope]],由ECMA-262标准第三版定义。
 
  内部[[Scope]]属性包含一个函数被创建的作用域中对象的集合。此集合被称为函数的作用域链,它决定哪些数据可以由函数访问。此函数中作用域链中每个对象被称为一个可变对象,以“键值对”表示。当一个函数创建以后,它的作用域链被填充以对象,这些对象代表创建此函数的环境中可访问的数据:
 
1 function add(num1, num2){ 
2   var sum = num1 + num2; 
3   return sum;
4 }
  当add()函数创建以后,它的作用域链中填入了一个单独可变对象,此全局对象代表了所有全局范围定义的变量。此全局对象包含诸如窗口、和文档之类的访问接口。如下图所示:(add()函数的作用域链,注意这里只画出全局变量中很少的一部分)
 
 
 
  add函数的作用域链将会在运行时用到,假设运行了如下代码:
 
1 var total = add(5,10);
  运行此add函数时会建立一个内部对象,称作“运行期上下文”(execution context),一个运行期上下文定义了一个函数运行时的环境。且对于单独的每次运行而言,每个运行期上下文都是独立的,多次调用就会产生多此创建。而当函数执行完毕,运行期上下文被销毁。
 
  一个运行期上下文有自己的作用域链,用于解析标识符。当运行期上下文被创建的时,它的作用域被初始化,连同运行函数的作用域链[[Scope]]属性所包含的对象。这些值按照它们出现在函数中的顺序,被复制到运行期上下文的作用域链中。这项工作一旦执行完毕,一个被称作“激活对象”的新对象就位运行期上下文创建好了。此激活对象作为函数执行期一个可变对象,包含了访问所有局部变量,命名参数,参数集合和this的接口。然后,此对象被推入到作用域链的最前端。当作用域链被销毁时,激活对象也一同被销毁。如下所示:(运行add()时的作用域链)
 
 
 
  在函数运行的过程中,每遇到一个变量,就要进行标识符识别。标识符识别这个过程要决定从哪里获得数据或者存取数据。此过程搜索运行期上下文的作用域链,查找同名的标识符。搜索工作从运行函数的激活目标的作用域前端开始。如果找到了,就使用这个具有指定标识符的变量;如果没找到,搜索工作将进入作用域链的下一个对象,此过程持续运行,直到标识符被找到或者没有更多可用对象可用于搜索,这种情况视为标识符未定义。正是这种搜索过程影响了性能。
 
 
 
  Identifier Resolution Performance 标识符识别性能
 
  标识符识别是耗能的。
 
  在运行期上下文的作用域链中,一个标识符所处的位置越深,它的读写速度就越慢。所以,函数中局部变量的访问速度总是最快的,而全局变量通常是最慢的(优化script引擎,如Safari在某些情况下可用改变这种情况)。
 
  请记住,全局变量总是处于运行期上下文作用域链的最后一个位置,所以总是最远才能被访问的。一个好的经验法则是:使用局部变量存储本地范围之外的变量值,如果它们在函数中的使用多于一次。考虑下面的例子:
 
复制代码
 1 function initUI(){
 2   var bd = document.body,
 3   links = document.getElementsByTagName("a"), 
 4   i = 0,
 5   len = links.length;
 6   
 7   while(i < len){
 8     update(links[i++]); 
 9   }
10   
11     document.getElementById("go-btn").onclick = function(){ 
12     start();
13   };
14   
15   bd.className = "active"; 
16 }
复制代码
  此函数包含三个对document的引用,而document是一个全局对象。搜索至document,必须遍历整个作用域链,直到最后才能找到它。使用下面的方法减轻重复的全局变量访问对性能的影响:
 
复制代码
 1 function initUI(){
 2     var doc=document,
 3    bd = doc.body,
 4   links = doc.getElementsByTagName("a"), 
 5   i = 0,
 6   len = links.length;
 7   
 8   while(i < len){
 9     update(links[i++]); 
10   }
11   
12      doc.getElementById("go-btn").onclick = function(){ 
13     start();
14   };
15   
16   bd.className = "active"; 
17 }
复制代码
  用doc代替document更快,因为它是一个局部变量。当然,这个简单的函数不会显示出巨大的性能改进,因为数量的原因,不过可以想象一下,如果几十个全部变量反复被访问,那么性能改进将显得多么出色。
 
 
 
  Scope Chain Augmentation 改变作用域链
 
  一个来说,一个运行期上下文的作用域链不会被改变。但是,有两种表达式可以在运行时临时改变运行期上下文。第一个是with表达式:
 
复制代码
 1 function initUI(){
 2     with (document){ //avoid!
 3       var bd = body,
 4       links = getElementsByTagName("a"), 
 5       i = 0,
 6       len = links.length;
 7       
 8       while(i < len){
 9         update(links[i++]); 
10       }
11         
12       getElementById("go-btn").onclick = function(){ 
13         start();
14       };
15     
16       bd.className = "active"; 
17   }
18 }
复制代码
  此重写版本使用了一个with表达式,避免了多次书写“document”。这看起来似乎更有效率,实际不然,这里产生了一个性能问题。
 
  当代码流执行到一个with表达式,运行期上下文的作用域被临时改变了。一个新的可变对象将被创建,它包含了指定对象(针对这个例题是document对象)的所有属性。此对象被插入到作用域链的最前端。意味着现在函数的所有局部变量都被推入到第二个作用域链对象中,所以局部变量的访问代价变的更高了。
 
  正式因为这个原因,最好不要使用with表达式。这样会得不偿失。正如前面提到的,只要简单的将document存储在一个局部变量中,就可以获得性能上的提升。
 
  另一个能改变运行期上下文的是try-catch语句的字句catch具有同样的效果。当try块发生错误的时,程序自动转入catch块,并将所有局部变量推入第二个作用域链对象中,只要catch之块执行完毕,作用域链就会返回到原来的状态。
 
1 try { 
2     methodThatMightCauseAnError();
3 } catch (ex){
4     alert(ex.message); //作用域链在这里发生改变
5 }
  如果使用得当,try-catch表达式是非常有用的语句,所以不建议完全避免。但是一个try-catch语句不应该作为Javascript错误解决的办法,如果你知道一个错误会经常发生,那么说明应该修改代码本身。不是么?
 
  
 
  Dynamic Scope 动态作用域
 
  无论是with表达式还是try-catch表达式的子句catch,以及包含()的函数,都被认为是动态作用域。一个动态作用域因代码运行而生成存在,因此无法通过静态分析(通过查看代码)来确定是否存在动态作用域。例如:
 
复制代码
function execute(code) { 
  (code);
  function subroutine(){ 
    return window;
}
  var w = subroutine(); // w的值是什么?
};
复制代码
  execute()函数看上去像一个动态作用域,因为它使用了()。w变量的值与传入的code代码有关。大多数情况下,w将等价于全局的window对象。但是如果传入的是:
 
1 execute("var window = {};");
  这种情况下,()在execute()函数中创建了一个局部window变量。所以w将等价于这个局部window变量而不是全局window的那个。所以不运行这段代码是无法预知最后的具体情况,标识符window的确切含义无法预先知道。
 
  因此,只有在绝对必要时刻才推荐使用动态作用域。
 
 
 
  Closure,Scope,and Memory 闭包,作用域,和内存
 
  闭包是Javascript最强大的一个方面,它允许函数访问局部范围之外的的数据。为了解与闭包有关的性能问题,考虑下面的例子:
 
1 function assignEvents(){
2   var id = "xdi9592"; 
3   document.getElementById("save-btn").onclick = function(event){
4     saveDocument(id); 
5   };
6 }
  assignEvents()函数为DOM元素指定了一个事件处理句柄。此事件处理是一个闭包,当函数执行创建时可以访问其范围内部的id变量。而这种方法封闭了对id变量的访问,必须创建一个特定的作用域链。
 
  当assignEvents()函数执行时,一个激活对象被创建,并且包含了一些应有的内容,其中包含id变量。它将成为运行期上下文作用域链上的第一个对象,全局对象是第二个。当闭包创建的时,[[Scope]]属性与这些对象一起被初始化,如下图:
 
 
 
  由于闭包的[[Scope]]属性包含与运行期上下文作用域链相同的对象引用,会产生副作用,通常,一个函数的激活对象与运行期上下文一同销毁。当涉及闭包时,激活对象就无法销毁了,因为仍然存在于闭包的[[Scope]]属性中。这意味着脚本中的闭包与非闭包函数相比,需要更多的内存开销。尤其在IE,使用非本地Javascript对象实现DOM对象,闭包可能导致内存泄露。
 
  当闭包被执行,一个运行期上下文将被创建,它的作用域链与[[Scope]]中引用的两个相同的作用域链同时被初始化,然后一个新的激活对象为闭包自身创建。如下图:
 
 
 
  可以看到,id和saveDocument两个标识符存在于作用域链第一个对象之后的位置。这是闭包最主要的性能关注点:你经常访问一些范围之外的标识符,每次访问都将导致一些性能损失。
 
  在脚本中最好小心的使用闭包,内存和运行速度都值得被关注。但是,你可以通过上文谈到的,将常用的域外变量存入局部变量中,然后直接访问局部变量。
 
 
 
  Object Members 对象成员
 
  对象成员包括属性和方法,在Javascript中,二者差别甚微。对象的一个命名成员可以包含任何数据类型。既然函数也是一种对象,那么对象成员除了传统数据类型外,也可以包含函数。当一个命名成员引用了一个函数时,它被称作一个“方法”,而一个非函数类型的数据则被称作“属性”。
 
  如前所言,对象成员的访问比直接量和局部变量访问速度慢,在某些浏览器上比访问数组还慢,这与Javascript中对象的性质有关。
 
 
 
  Prototype 原型  
 
  Javascript中的对象是基于原型的,一个对象通过内部属性绑定到它的原型。Firefox,Safari和Chrome向开发人员开放这一属性,称作_proto_。其他浏览器不允许脚本访问这个属性。任何时候我们创建一个内置类型的实现,如Object或Array,这些实例自动拥有一个Object作为它们的原型。而对象可以有两种类型的成员:实例成员和原型成员。实例成员直接存在于实例自身而原型成员则从对象继承。考虑如下例子:
 
1 var book = {
2   title: "High Performance ",
3   publisher: "Yahoo! Press" 
4 };
5 alert(book.toString()); //"[object Object]"
  此代码中book有title和publisher两个实例成员。注意它并没有定义toString()接口,但这个接口却被调用且没有抛出错误。toString()函数就是一个book继承自原型对象的原型成员。下图表示了它们的关系:
 
 
 
  处理对象成员的过程与处理变量十分相似。当book.toString()被调用时,对成员进行名为“toString”的搜索,首先从对象实例开始,若果没有名为toString的成员,那么就转向搜索原型对象,在那里发现了toString()方法并执行它。通过这种方法,book可以访问它的原型所拥有的每个属性和方法。
 
  我们可以使用hasOwnProperty()函数确定一个对象是否具有特定名称的实例成员。实例略。
 
 
 
  Prototype Chains 原型链
 
  对象的原型决定了一个实例的类型。默认情况下,所有对象都是Object的实例,并继承了所有基本方法。如toString()。我们也可以使用构造器创建另外一种原型。例如:
 
复制代码
 1 function Book(title, publisher){ 
 2   this.title = title;
 3   this.publisher = publisher;
 4 }
 5 
 6 Book.prototype.sayTitle = function(){
 7   alert(this.title); 
 8 };
 9   var book1 = new Book("High Performance JavaScript", "Prototype Chains"); 
10   var book2 = new Book("JavaScript: The Good Parts", "Prototype Chains"); 
11   alert(book1 instanceof Book); //true
12   alert(book1 instanceof Object); //true
13   book1.sayTitle(); //"High Performance JavaScript" 
14   alert(book1.toString()); //"[object Object]"
复制代码
  Book构造器用于创建一个新的book实例book1。book1的原型(_proto_)是Book.prototype,Book.prototype的原型是Object。这就创建了一条原型链。
 
  注意,book1和book2共享了同一个原型链。每个实例拥有自己的title和publisher属性,其他成员均继承自原型。而正如你所怀疑的那样,深入原型链越深,搜索的速度就会越慢,特别是IE,每深入原型链一层都会增加性能损失。记住,搜索实例成员的过程比访问直接量和局部变量负担更重,所以增加遍历原型链的开销正好放大了这种效果。
 
  
 
  Nested Members 嵌套成员
 
  由于对象成员可能包含其他成员。譬如window.location.href(获取当前页面的url)这种模式。每遇到一个点号(.),Javascript引擎就要在对象成员上执行一次解析过程,而且成员嵌套越深,访问速度越慢。location.href总是快于window.location.href,而后者比window.location.href.toString()更快。如果这些属性不是对象的实例成员,那么成员解析还要在每个点上搜索原型链,这将需要更多的时间。
 
 
 
  Summary 总结
 
在Javascript中,数据存储位置可以对代码整体性能产生重要影响。有四种数据访问类型:直接量,变量,数组项,对象成员。对它们我们有不同的性能考虑。
直接量和局部变量的访问速度非常快,而数组项和对象成员需要更长时间。
局部变量比外部变量快,是因为它位于作用域链的第一个对象中。变量在作用域链中的位置越深,访问所需的时间就越长。而全局变量总是最慢的,因为它处于作用域链的最后一环。
避免使用with表达式,因为它改变了运行期上下文的作用域链。而且应当特别小心对待try-catch语句的catch子句,它具有同样的效果。
嵌套对象成员会造成重大性能影响,尽量少用。
一般而言,我们通过将经常使用的对象成员,数组项,和域外变量存入局部变量中。然后,访问局部变量的速度会快于那些原始变量。
 
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