代码层面探索前端性能 | 京东云技术团队

京东云开发者 / 148 / 2023-09-26 11:38:22

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前言

最近在做性能优化,具体优化手段,网上铺天盖地,这里就不重复了。

性能优化可分为以下几个维度:代码层面、构建层面、网络层面。
本文主要是从代码层面探索前端性能,主要分为以下 4 个小节。

  • 使用 CSS 替代 JS
  • 深度剖析 JS
  • 前端算法
  • 计算机底层

使用 CSS 替代 JS

这里主要从动画和 CSS 组件两个方面介绍。

CSS 动画

CSS2 出来之前,哪怕要实现一个很简单的动画,都要通过 JS 实现。比如下面红色方块的水平移动:

水平移动

对应 JS 代码:

let redBox = document.getElementById('redBox')
let l = 10

setInterval(() => {
    l+=3
    redBox.style.left = `${l}px`
}, 50)


1998 年的 CSS2 规范,定义了一些动画属性,但由于受当时浏览器技术限制,这些特性并没有得到广泛的支持和应用。

直到 CSS3 的推出,CSS 动画得到了更全面地支持。同时,CSS3 还引入了更多的动画效果,使得 CSS 动画在今天的 Web 开发中得到了广泛的应用。

那么 CSS3 都能实现什么动画,举几个例子:

  • 过渡(Transition)- 过渡是 CSS3 中常用的动画效果之一,通过对一个元素的某些属性进行变换,使元素在一段时间内从一个状态平滑地过渡到另一个状态。
  • 动画(Animation)- 动画是 CSS3 中另一个常用的动画效果,其用于为一个元素添加一些复杂的动画效果,可以通过关键帧(@keyframes)来定义一串动画序列。
  • 变换(Transform)- 变换是 CSS3 中用于实现 2D/3D 图形变换效果的一种技术,包括旋转、缩放、移动、斜切等效果。

把上面的例子改写成 CSS 代码如下:

#redBox {
    animation: mymove 5s infinite;
}

@keyframes mymove
{
    from {left: 0;}
    to {left: 200px;}
}


同样的效果,用样式就能实现,何乐而不为呢。

需要指出的是,CSS 的动画仍在不断发展和改进,随着新的浏览器特性和 CSS 版本的出现,CSS 动画的特性也在不断地增加和优化,以满足日益复杂的动画需求和更好的用户体验。

CSS 组件

在一些知名的组件库中,有些组件的大部分 props 是通过修改 CSS 样式实现的,比如 Vant 的Space组件。

Props 功能 CSS 样式
direction 间距方向 flex-direction: column;
align 对齐方式 align-items: xxx;
fill 是否让 Space 变为一个块级元素,填充整个父元素 display: flex;
wrap 是否自动换行 flex-wrap: wrap;

再比如 Ant Design 的Space组件。

Props 功能 CSS 样式
align 对齐方式 align-items: xxx;
direction 间距方向 flex-direction: column;
size 间距大小 gap: xxx;
wrap 是否自动换行 flex-wrap: wrap;

这类组件完全可以封装成 SCSS 的 mixin 实现(LESS 也一样),既能减少项目的构建体积(两个库的 Space 组件 gzip 后的大小分别为 5.4k 和 22.9k),又能提高性能。

查看组件库某个组件的体积,可访问连接

比如下面的 space mixin:

/* 
* 间距
* size: 间距大小,默认是 8px
* align: 对齐方式,默认是 center,可选 start、end、baseline、center
* direction: 间距方向,默认是 horizontal,可选 horizontal、vertical
* wrap: 是否自动换行,仅在 horizontal 时有效,默认是 false
*/
@mixin space($size: 8px, $direction: horizontal, $align: center, $wrap: false) {
    display: inline-flex;
    gap: $size;

    @if ($direction == 'vertical') {
        flex-direction: column;
    }

    @if ($align == 'center') {
        align-items: center;
    }

    @if ($align == 'start') {
        align-items: flex-start;
    }

    @if ($align == 'end') {
        align-items: flex-end;
    }

    @if ($align == 'baseline') {
        align-items: baseline;
    }

    @if ($wrap == true) {
        @if $direction == 'horizontal' {
            flex-wrap: wrap;
        }
    }
}


类似的组件还有 Grid、Layout 等。

再说下图标,下面是 Ant Design 图标组件的第一屏截图,有很多仅用 HTML + CSS 就可以轻松实现。

Ant Design 方向图标

实现思路:

  • 优先考虑只使用样式实现
  • 仅靠样式满足不了,就先增加一个标签,通过这个标签和它的两个伪元素 ::before 和 ::after 实现
  • 一个标签实在不够,再考虑增加额外的标签

比如实现一个支持四个方向的实心三角形,仅用几行样式就可以实现(上面截图是 4 个图标):

/* 三角形 */
@mixin triangle($borderWidth: 10, $shapeColor: #666, $direction: up) {
    width: 0;
    height: 0;
    border: if(type-of($borderWidth) == 'number', #{$borderWidth} + 'px', #{$borderWidth}) solid transparent;

    $doubleBorderWidth: 2 * $borderWidth;
    
    $borderStyle: if(type-of($doubleBorderWidth) == 'number', #{$doubleBorderWidth} + 'px', #{$doubleBorderWidth}) solid #{$shapeColor};

    @if($direction == 'up') {
        border-bottom: $borderStyle;
    }

    @if($direction == 'down') {
        border-top: $borderStyle;
    }

    @if($direction == 'left') {
        border-right: $borderStyle;
    }

    @if($direction == 'right') {
        border-left: $borderStyle;
    }
}


总之,_能用 CSS 实现的就不用 JS_,不仅性能好,而且还跨技术栈,甚至跨端。

深度剖析 JS

介绍完了 CSS,再来看 JS,主要从基本语句和框架源码两个方面深入。

if-else 语句的优化

先了解下 CPU 是如何执行条件语句的。参考如下代码:

const a = 2
const b = 10
let c
if (a > 3) {
    c = a + b
} else {
    c = 2 * a
}


CPU 执行流程如下:

条件语句

我们看到,在执行到指令 0102 时候,由于不满足 a > 3 这个条件,就直接跳转到 0104 这个指令去执行了;而且,计算机很聪明,如果它在编译期间发现 a 永远不可能大于 3,它就会直接删除 0103 这条指令,然后,0104 这条指令就变成了下一条指令,直接顺序执行,也就是编译器的优化。

那么回到正题,假如有以下代码:

function check(age, sex) {
    let msg = ''
    if (age > 18) {
        if (sex === 1) {
            msg = '符合条件'
        } else {
            msg = ' 不符合条件'
        }
    } else {
        msg = '不符合条件'
    }
}


逻辑很简单,就是筛选出 age > 18 并且 sex == 1 的人,代码一点儿问题都没有,但是太啰嗦,站在 CPU 的角度来看,需要执行两次跳转操作,当 age > 18 时,就进入内层的 if-else 继续判断,也就意味着再次跳转。

其实我们可以直接优化下这个逻辑(通常我们也是这样做的,但是可能知其然而不知其所以然):

function check(age, sex){
    if (age > 18 && sex ==1) return '符合条件'
    return '不符合条件'
}


所以,_逻辑能提前结束就提前结束_,减少 CPU 的跳转。

Switch 语句的优化

其实 switch 语句和 if-else 语句的区别不大,只不过写法不同而已,但是,switch 语句有个特殊的优化,那就是数组。

参考以下代码:

function getPrice(level) {
    if (level > 10) return 100
    if (level > 9) return 80
    if (level > 6) return 50
    if (level > 1) return 20
    return 10
}


我们改成 switch 语句:

function getPrice(level) {
    switch(level)
        case 10: return 100
        case 9: return 80
        case 8: 
        case 7: 
        case 6: return 50
        case 5:
        case 4: 
        case 3:
        case 2: 
        case 1: return 20
        default: return 10
}


看着没啥区别,其实编译器会把它优化成一个数组,其中数组的下标为 0 到 10,不同下标对应的价格就是 return 的数值,也就是:

Swich 数组

而我们又知道,数组是支持随机访问的,速度极快,所以,编译器对 switch 的这个优化就会大大提升程序的运行效率,这可比一条一条执行命令快多了。

那么,我还写个毛的 if-else 语句啊,我直接全部写 switch 不就行了?

不行!因为编译器对 switch 的优化是有条件的,它要求你的 code 必须是紧凑的,也就是连续的。

这是为什么呢?因为我要用数组来优化你啊,你如果不是紧凑的,比如你的 code 是 1、50、51、101、110,我就要创建一个长度 110 的数组来存放你,只有这几个位置有用,岂不是浪费空间!

所以,我们在使用 switch 的时候,尽量保证\_code 是紧凑的数字类型\_的。

循环语句的优化

其实循环语句跟条件语句类似,只不过写法不同而已,循环语句的优化点是以减少指令为主。

我们先来看一个中二的写法:

function findUserByName(users) {
   let user = null
   for (let i = 0; i < users.length; i++) {
       if (users[i].name === '张三') {
           user = users[i]
       }
   }
   return user
}


如果数组长度是 10086,第一个人就叫张三,那后面 10085 次遍历不就白做了,真拿 CPU 不当人啊。

你直接这样写不就行了:

function findUserByName(users) {
    for (let i = 0; i < users.length; i++) {
        if (users[i].name === '章三') return users[i]
    }
}


这样写效率高,可读性强,也符合我们上述的_逻辑能提前结束就提前结束_这个观点。CPU 直接感谢你全家。

其实,这里还有一点可以优化的地方,就是我们的数组长度可以提取出来,不必每次都访问,也就是这样:

function findUserByName(users) {
    let length = users.length
    for (let i = 0; i < length; i++) {
        if (users[i].name === '章三') return users[i]
    }
}


这看起来好像有点吹毛求疵了,确实是,但是如果考虑到性能的话,还是有点用的。比如有的集合的 size() 函数,不是简单的属性访问,而是每次都需要计算一次,这种场景就是一次很大的优化了,因为省了很多次函数调用的过程,也就是省了很多个 call 和 return 指令,这无异是提高了代码的效率的。尤其是在循环语句这种容易量变引起质变的情况下,差距就是从这个细节拉开的。

函数调用过程参考:

函数调用

对应代码如下:

let a = 10
let b = 11

function sum (a, b) {
    return a + b
}


说完了几个基础语句,再来看下我们经常使用的框架内部,很多地方的性能都值得探索。

diff 算法

Vue 和 React 中都使用了虚拟 DOM,当执行更新时,要对比新旧虚拟 DOM。如果没有任何优化,直接严格 diff 两颗树,时间复杂度是 O(n^3),根本不可用。所以 Vue 和 React 必须使用 diff 算法优化虚拟 DOM:

Vue2 - 双端比较:

Vue2 - 双端比较

类似上面的图:

  • 定义 4 个变量,分别为:oldStartIdx、oldEndIdx、newStartIdx 和 newEndIdx
  • 判断 oldStartIdx 和 newStartIdx 是否相等
  • 判断 oldEndIdx 和 newEndIdx 是否相等
  • 判断 oldStartIdx 和 newEndIdx 是否相等
  • 判断 oldEndIdx 和 newStartIdx 是否相等
  • 同时 oldStartIdx 和 newStartIdx 向右移动;oldEndIdx 和 newEndIdx 向左移动

Vue3 - 最长递增子序列:

Vue3 - 最长递增子序列

整个过程是基于 Vue2 的双端比较再次进行优化。比如上面这个截图:

  • 先进行双端比较,发现前面两个节点(A 和 B)和最后一个节点(G)是一样的,不需要移动
  • 找到最长递增子序列 C、D、E(新旧 children 都包含的,最长的顺序没有发生变化的一组节点)
  • 把子序列当成一个整体,内部不用进行任何操作,只需要把 F 移动到它的前面,H 插入到它的后面即可

React - 仅右移:

React - 仅右移

上面截图的比较过程如下:

  • 遍历 Old 存下对应下标 Map
  • 遍历 New,b 的下标从 1 变成了 0,不动(是左移不是右移)
  • c 的下标从 2 变成了 1,不动(也是左移不是右移)
  • a 的下标从 0 变成了 2,向右移动,b、c 下标都减 1
  • d 和 e 位置没变,不需要移动

总之,不管用什么算法,它们的原则都是:

  • 只比较同一层级,不跨级比较
  • Tag 不同则删掉重建(不再去比较内部的细节)
  • 子节点通过 key 区分(key 的重要性)

最后也都成功把时间复杂度降低到了 O(n),才可以被我们实际项目使用。

setState 真的是异步吗

很多人都认为 setState 是异步的,但是请看下面的例子:

clickHandler = () => {
    console.log('--- start ---')

    Promise.resolve().then(() => console.log('promise then'))

    this.setState({val: 1}, () => {console.log('state...', this.state.val)})

    console.log('--- end ---')
}

render() {
    return <div onClick={this.clickHandler}>setState</div>
}


实际打印结果:

setState 打印结果

如果是异步的话,state 的打印应该在微任务 Promise 后执行。

为了解释清这个原因,必须先了解 JSX 里的事件机制。

JSX 里的事件,比如 onClick={() => {}},其实叫合成事件,区别于我们常说的自定义事件:

// 自定义事件
document.getElementById('app').addEventListener('click', () => {})


合成事件都是绑定在 root 根节点上,有前置和后置操作,拿上面的例子举例:

function fn() { // fn 是合成事件函数,内部事件同步执行
    // 前置
    clickHandler()
    
    // 后置,执行 setState 的 callback
}


可以想象有函数 fn,里面的事件都是同步执行的,包括 setState。fn 执行完,才开始执行异步事件,即 Promise.then,符合打印的结果。

那么 React 为什么要这么做呢?
因为要考虑性能,如果要多次修改 state,React 会先合并这些修改,合并完只进行一次 DOM 渲染,避免每次修改完都渲染 DOM。

所以 setState_本质是同步_,日常说的“异步”是不严谨的。

前端算法

讲完了我们的日常开发,再来说说算法在前端中的应用。

友情提示:算法一般都是针对大数据量而言,区别于日常开发。

能用值类型就不用引用类型

先来看一道题。

求 1-10000 之间的所有对称数,例如:0, 1, 2, 11, 22, 101, 232, 1221...

思路 1 - 使用数组反转、比较:数字转换为字符串,再转换为数组;数组 reverse,再 join 为字符串;前后字符串进行对比。

function findPalindromeNumbers1(max) {
    const res = []
    if (max <= 0) return res

    for (let i = 1; i <= max; i++) {
        // 转换为字符串,转换为数组,再反转,比较
        const s = i.toString()
        if (s === s.split('').reverse().join('')) {
            res.push(i)
        }
    }

    return res
}


思路 2 - 字符串头尾比较:数字转换为字符串;字符串头尾字符比较。

function findPalindromeNumbers2(max) {
    const res = []
    if (max <= 0) return res

    for (let i = 1; i <= max; i++) {
        const s = i.toString()
        const length = s.length

        // 字符串头尾比较
        let flag = true
        let startIndex = 0 // 字符串开始
        let endIndex = length - 1 // 字符串结束
        while (startIndex < endIndex) {
            if (s[startIndex] !== s[endIndex]) {
                flag = false
                break
            } else {
                // 继续比较
                startIndex++
                endIndex--
            }
        }

        if (flag) res.push(res)
    }

    return res
}


思路 3 - 生成翻转数:使用 % 和 Math.floor 生成翻转数;前后数字进行对比(全程操作数字,没有字符串类型)。

function findPalindromeNumbers3(max) {
    const res = []
    if (max <= 0) return res

    for (let i = 1; i <= max; i++) {
        let n = i
        let rev = 0 // 存储翻转数

        // 生成翻转数
        while (n > 0) {
            rev = rev * 10 + n % 10
            n = Math.floor(n / 10)
        }

        if (i === rev) res.push(i)
    }

    return res
}


性能分析:越来越快

  • 思路 1- 看似是 O(n),但数组转换、操作都需要时间,所以慢
  • 思路 2 VS 思路3 - 操作数字更快(电脑原型就是计算器)

总之,尽量不要转换数据结构,尤其数组这种有序结构,尽量不要用内置 API,如 reverse,不好识别复杂度,数字操作最快,其次是字符串。

尽量用“低级”代码

还是直接上一道题。

输入一个字符串,切换其中字母的大小写
如,输入字符串 12aBc34,输出字符串 12AbC34

思路 1 - 使用正则表达式。

function switchLetterCase(s) {
    let res = ''

    const length = s.length
    if (length === 0) return res

    const reg1 = /[a-z]
    const reg2 = /[A-Z]

    for (let i = 0; i < length; i++) {
        const c = s[i]
        if (reg1.test(c)) {
            res += c.toUpperCase()
        } else if (reg2.test(c)) {
            res += c.toLowerCase()
        } else {
            res += c
        }
    }

    return res
}


思路 2 - 通过 ASCII 码判断。

function switchLetterCase2(s) {
    let res = ''

    const length = s.length
    if (length === 0) return res

    for (let i = 0; i < length; i++) {
        const c = s[i]
        const code = c.charCodeAt(0)

        if (code >= 65 && code <= 90) {
            res += c.toLowerCase()
        } else if (code >= 97 && code <= 122) {
            res += c.toUpperCase()
        } else {
            res += c
        }
    }

    return res
}


性能分析:前者使用了正则,慢于后者

所以,尽量用“低级”代码,慎用语法糖、高级 API 或者正则表达式。

计算机底层

最后说一些前端需要了解的计算机底层。

从“内存”读数据

我们通常说的:从内存中读数据,就是把数据读入寄存器中,但是我们的数据不是直接从内存读入寄存器的,而是先读入一个高速缓存中,然后才读入寄存器的。

寄存器是在 CPU 内的,也是 CPU 的一部分,所以 CPU 从寄存器读写数据非常快。

这是为啥呢?因为从内存中读数据太慢了。

你可以这么理解:CPU 先把数据读入高速缓存中,以备使用,真正使用的时候,就从高速缓存中读入寄存器;当寄存器使用完毕后,就把数据写回到高速缓存中,然后高速缓存再在合适的时机将数据写入到存储器。

CPU 运算速度非常快,而从内存读数据非常慢,如果每次都从内存中读写数据,那么势必会拖累 CPU 的运算速度,可能执行 100s,有 99s 都在读取数据。为了解决这个问题,我们就在 CPU 和存储器之间放了个高速缓存,而 CPU 和高速缓存之间的读写速度是很快的,CPU 只管和高速缓存互相读写数据,而不管高速缓存和存储器之间是怎么同步数据的。这样就解决了内存读写慢的问题。

二进制的位运算

灵活运用二进制的位运算不仅能提高速度,熟练使用二进制还能节省内存。

假如给定一个数 n,怎么判断 n 是不是 2 的 n 次方呢?

很简单啊,直接求余就行了。

function isPowerOfTwo(n) {
    if (n <= 0) return false
    let temp = n
    while (temp > 1) {
        if (temp % 2 != 0) return false
        temp /= 2
    }
    return true
}


嗯,代码没毛病,不过不够好,看下面代码:

function isPowerOfTwo(n) {
    return (n > 0) && ((n & (n - 1)) == 0)
}


大家可以用 console.time 和 console.timeEnd 对比下运行速度便知。

我们可能还会看到一些源码里面有很多 flag 变量,对这些 flag 进行按位与或按位或运算来检测标记,从而判断是否开启了某个功能。他为什么不直接用布尔值呢?很简单,这样效率高还节省内存。

比如 Vue3 源码中的这段代码,不仅用到了按位与和按位或,还用到了左移:

export const enum ShapeFlags {
  ELEMENT = 1,
  FUNCTIONAL_COMPONENT = 1 << 1,
  STATEFUL_COMPONENT = 1 << 2,
  TEXT_CHILDREN = 1 << 3,
  ARRAY_CHILDREN = 1 << 4,
  SLOTS_CHILDREN = 1 << 5,
  TELEPORT = 1 << 6,
  SUSPENSE = 1 << 7,
  COMPONENT_SHOULD_KEEP_ALIVE = 1 << 8,
  COMPONENT_KEPT_ALIVE = 1 << 9,
  COMPONENT = ShapeFlags.STATEFUL_COMPONENT | ShapeFlags.FUNCTIONAL_COMPONENT
}


if (shapeFlag & ShapeFlags.ELEMENT || shapeFlag & ShapeFlags.TELEPORT) {
  ...
}


if (hasDynamicKeys) {
      patchFlag |= PatchFlags.FULL_PROPS
    } else {
    if (hasClassBinding) {
      patchFlag |= PatchFlags.CLASS
    }
    if (hasStyleBinding) {
      patchFlag |= PatchFlags.STYLE
    }
    if (dynamicPropNames.length) {
      patchFlag |= PatchFlags.PROPS
    }
    if (hasHydrationEventBinding) {
      patchFlag |= PatchFlags.HYDRATE_EVENTS
    }
}


结语

文章从代码层面讲解了前端的性能,有深度维度的:

  • JS 基础知识深度剖析
  • 框架源码

也有广度维度的:

  • CSS 动画、组件
  • 算法
  • 计算机底层

希望能让大家拓宽前端性能的视野,如果对文章感兴趣,欢迎留言讨论~~~

作者:京东零售 杨进军

来源:京东云开发者社区 转载请注明来源


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发布于
2023-09-26
修改于
2024-06-19
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