JavaScript数据访问性能优化方案

SEO探索者团队 SEO服务&网站优化

接上一篇,希望能写一个高性能Javascript专题。

第一篇:JavaScript无阻塞加载性能优化方案。

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:

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。它包含我们编程定义的可访问属性,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:

function add(num1, num2){ 
   var sum = num1 + num2; 
   return sum;
}

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、浏览器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:

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Javascript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:

function initUI(){
  var bd = document.body,
  links = document.getElementsByTagName("a"), 
  i = 0,
  len = links.length;

  while(i < len){
    update(links[i++]); 
  }

    document.getElementById("go-btn").onclick = function(){ 
    start();
  };

  bd.className = "active"; 
}

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:

function initUI(){
    var doc=document,
   bd = doc.body,
  links = doc.getElementsByTagName("a"), 
  i = 0,
  len = links.length;

  while(i < len){
    update(links[i++]); 
  }

     doc.getElementById("go-btn").onclick = function(){ 
    start();
  };

  bd.className = "active"; 
}

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:

function initUI(){
    with (document){ //avoid!
      var bd = body,
      links = getElementsByTagName("a"), 
      i = 0,
      len = links.length;

      while(i < len){
        update(links[i++]); 
      }

      getElementById("go-btn").onclick = function(){ 
        start();
      };

      bd.className = "active"; 
  }
}

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。

try { 
    methodThatMightCauseAnError();
} catch (ex){
    alert(ex.message); //作用域链在这里发生改变
}

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:

function execute(code) { 
  (code);
  function subroutine(){ 
    return window;
}
  var w = subroutine(); // w的值是什么?
};

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:

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:

function assignEvents(){
  var id = "xdi9592"; 
  document.getElementById("save-btn").onclick = function(event){
    saveDocument(id); 
  };
}

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:

var book = {
  title: "High Performance JavaScript",
  publisher: "Yahoo! Press" 
};
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:

function Book(title, publisher){ 
  this.title = title;
  this.publisher = publisher;
}

Book.prototype.sayTitle = function(){
  alert(this.title); 
};
  var book1 = new Book("High Performance JavaScript", "Prototype Chains"); 
  var book2 = new Book("JavaScript: The Good Parts", "Prototype Chains"); 
  alert(book1 instanceof Book); //true
  alert(book1 instanceof Object); //true
  book1.sayTitle(); //"High Performance JavaScript" 
  alert(book1.toString()); //"[object Object]"

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

通过上述策略,可以极大提高那些使用Javascript代码的网页应用的实际性能。

参考书籍《高性能Javascript》。

相关广告
  • JavaScript数据访问性能优化方案 JavaScript数据访问性能优化方案 JavaScript数据访问性能优化方案
相关阅读

JavaScript数据访问性能优化方案

2019/10/19 9:27:56 | 谷歌SEO算法 | AI科学家