如何提升JSON.stringify()的性能

怼烎@ 2023-10-09 19:43 63阅读 0赞

### 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：

![format_png][]

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：

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

我们对它应用`JSON.stringify()`，得到结果为

JSON.stringify(obj);
    // {"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

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

看看我们的`myStringify`方法的输出：

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.  最后，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：

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

![format_png 1][]

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

![format_png 2][]

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

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

对应的 scheme 就是：

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

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：

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：

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
        ……

上面代码中的`code`变量保存的就是最后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：

"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：

function $asString(str) {
        // ……
    }
    function $asStringNullable(str) {
        // ……
    }
    function $asStringSmall(str) {
        // ……
    }
    function $asNumber(i) {
        // ……
    }
    function $asNumberNullable(i) {
        // ……
    }
    /* 以上是一系列通用的键值转换方法 */
    
    /* $main 就是 stringify 的主体函数 */
    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'])
        }
    
        // …… 其他属性(status、working)的拼接
    
        json += '}'
        return json
    }
    
    return $main

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

// dependencies 主要用于处理包含 anyOf 与 if 语法的情况
    dependenciesName.push(code)
    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）。

![format_png 3][]

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。

![format_png 4][]

![format_png 5][]

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

{
        name: 'string',
        status: 'number',
        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

// scheme
    {
        name: 'string',
        status: 'number',
        working: 'boolean'
    }
    
    // 目标对象
    {
        name: 'alienzhou',
        status: 6,
        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，最后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：

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：

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__');

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

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

最后，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.  最后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 ###

最后，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。

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