如何提升JSON.stringify()的性能？

 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.  ***，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***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 

***，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，***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'  
] 

***，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.  ***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

***，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。