详解如何提升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：

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：

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？

需要先确定对象的结构信息； 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； 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：

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。