代码层面探索前端性能

2023-09-26 10:12 由京东云技术团队发表于 #前端开发

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：

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。

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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