如何快速提升 JSON.stringify() 的性能？

原文链接： https://juejin.im/post/5cf61ed3e51d4555fd20a2f3

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作者：AlienZHOU（百度）

来源：https://juejin.im/post/5cf61ed3e51d4555fd20a2f3

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，

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

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

{	
    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）。

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

{	
    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：

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：

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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