Graphical introduction to JavaScript data access performance optimization plan

Continuing from the previous article, I hope to write a high-performance Javascript topic.

The first article: JavaScript non-blocking loadingPerformance optimization solution.

A question in classical computer science is where data should be stored to achieve optimal reading and writing efficiency. Proper data storage is related to how quickly the data can be retrieved while the code is running. In Javascript, this problem is relatively simple because there are only a few options for how to represent data. In Javascript, there are four basic data access locations:

• Literal values

• A literal simply represents itself and is not stored in a specific location.

• Javascript direct quantities include: String(strings), numbers, booleans, Object(objects), array(arrays), function(functions), regular expression Formula (regular expressions), null value with special meaning (null), and undefined (undefined).

• Variables Variables

• Developers use the var keyword Created to store data values.

• Array items Array items

• have numeric index , Stores a Javascript array object.

• Object members Object members

• have a string index and store a Javascript object.

Each data storage location has a specific load of read and write operations. In most cases, the performance difference between data access to a literal and a local variable is insignificant. Specifically, accessing array items and object members is more expensive, and the exact amount depends largely on the browser. The general advice is that if you care about running speed, try to use direct variables and local variables, and limit the use of array items and object members. To this end, there are the following patterns to avoid and optimize our code:

Managing ScopeManaging Scope

The scope concept is the key to understanding Javascript, both in terms of performance and functionality. From a perspective, scope has a huge impact on Javascript. To understand the relationship between running speed and scope, we must first understand how scope works.

Scope Chains and Identifier Resolution Scope chain and identifier resolution

Every Javascript function is represented as an object, which is a function instance. It contains accessible properties defined by our Programming, and a series of internal properties that cannot be accessed by programs and are only used by the Javascript engine. One of the internal properties is [[Scope]], Defined by the third edition of the ECMA-262 standard.

The internal [[Scope]] property contains a collection of objects in the scope in which the function was created. This set is called the function's scope chain, and it determines what data can be accessed by the function. Each object in the scope chain in this function is called a mutable object, represented by a "key-value pair". When a function is created, its scope chain is populated with objects that represent data accessible in the environment in which the function was created:

function add(num1, num2){ 
 　　var sum = num1 + num2; 
 　　return sum;
}

When the add() function is created, its scope chain Filled with a single mutable object, this global object represents all variables defined in the global scope. This global object contains access interfaces for things like windows, browsers, and documents. As shown in the figure below: (The scope chain of the add() function, note that only a small part of the global variables are drawn here)

The scope chain of the add function will Will be used at runtime, assuming the following code is run:

var total = add(5,10);

运行此add函数时会建立一个内部对象，称作“运行期上下文”(execution context)，一个运行期上下文定义了一个函数运行时的环境。且对于单独的每次运行而言，每个运行期上下文都是独立的，多次调用就会产生多此创建。而当函数执行完毕，运行期上下文被销毁。

一个运行期上下文有自己的作用域链，用于解析标识符。当运行期上下文被创建的时，它的作用域被初始化，连同运行函数的作用域链[[Scope]]属性所包含的对象。这些值按照它们出现在函数中的顺序，被复制到运行期上下文的作用域链中。这项工作一旦执行完毕，一个被称作“激活对象”的新对象就位运行期上下文创建好了。此激活对象作为函数执行期一个可变对象，包含了访问所有局部变量，命名参数，参数集合和this的接口。然后，此对象被推入到作用域链的最前端。当作用域链被销毁时，激活对象也一同被销毁。如下所示：（运行add()时的作用域链）

在函数运行的过程中，每遇到一个变量，就要进行标识符识别。标识符识别这个过程要决定从哪里获得数据或者存取数据。此过程搜索运行期上下文的作用域链，查找同名的标识符。搜索工作从运行函数的激活目标的作用域前端开始。如果找到了，就使用这个具有指定标识符的变量；如果没找到，搜索工作将进入作用域链的下一个对象，此过程持续运行，直到标识符被找到或者没有更多可用对象可用于搜索，这种情况视为标识符未定义。正是这种搜索过程影响了性能。

Identifier Resolution Performance 标识符识别性能

标识符识别是耗能的。

在运行期上下文的作用域链中，一个标识符所处的位置越深，它的读写速度就越慢。所以，函数中局部变量的访问速度总是最快的，而全局变量通常是最慢的（优化Javascript引擎，如Safari在某些情况下可用改变这种情况）。

请记住，全局变量总是处于运行期上下文作用域链的最后一个位置，所以总是最远才能被访问的。一个好的经验法则是：使用局部变量存储本地范围之外的变量值，如果它们在函数中的使用多于一次。考虑下面的例子：

function initUI(){
　　var bd = document.body,
　　links = document.getElementsByTagName("a"), 
　　i = 0,
　　len = links.length;

　　while(i < len){
　　　　update(links[i++]); 
　　}

    document.getElementById("go-btn").onclick = function(){ 
　　　　start();
　　};

　　bd.className = "active"; 
}

此函数包含三个对document的引用，而document是一个全局对象。搜索至document，必须遍历整个作用域链，直到最后才能找到它。使用下面的方法减轻重复的全局变量访问对性能的影响：

function initUI(){
    var doc=document,
　  bd = doc.body,
　　links = doc.getElementsByTagName("a"), 
　　i = 0,
　　len = links.length;

　　while(i < len){
　　　　update(links[i++]); 
　　}

     doc.getElementById("go-btn").onclick = function(){ 
　　　　start();
　　};

　　bd.className = "active"; 
}

用doc代替document更快，因为它是一个局部变量。当然，这个简单的函数不会显示出巨大的性能改进，因为数量的原因，不过可以想象一下，如果几十个全部变量反复被访问，那么性能改进将显得多么出色。

Scope Chain Augmentation 改变作用域链

一个来说，一个运行期上下文的作用域链不会被改变。但是，有两种表达式可以在运行时临时改变运行期上下文。第一个是with表达式：

function initUI(){
    with (document){ //avoid!
      var bd = body,
      links = getElementsByTagName("a"), 
      i = 0,
      len = links.length;

      while(i < len){
        update(links[i++]); 
      }

      getElementById("go-btn").onclick = function(){ 
        start();
      };

      bd.className = "active"; 
  }
}

此重写版本使用了一个with表达式，避免了多次书写“document”。这看起来似乎更有效率，实际不然，这里产生了一个性能问题。

当代码流执行到一个with表达式，运行期上下文的作用域被临时改变了。一个新的可变对象将被创建，它包含了指定对象（针对这个例题是document对象）的所有属性。此对象被插入到作用域链的最前端。意味着现在函数的所有局部变量都被推入到第二个作用域链对象中，所以局部变量的访问代价变的更高了。

正式因为这个原因，最好不要使用with表达式。这样会得不偿失。正如前面提到的，只要简单的将document存储在一个局部变量中，就可以获得性能上的提升。

另一个能改变运行期上下文的是try-catch语句的字句catch具有同样的效果。当try块发生错误的时，程序自动转入catch块，并将所有局部变量推入第二个作用域链对象中，只要catch之块执行完毕，作用域链就会返回到原来的状态。

try { 
    methodThatMightCauseAnError();
} catch (ex){
    alert(ex.message); //作用域链在这里发生改变
}

如果使用得当，try-catch表达式是非常有用的语句，所以不建议完全避免。但是一个try-catch语句不应该作为Javascript错误解决的办法，如果你知道一个错误会经常发生，那么说明应该修改代码本身。不是么？

Dynamic Scope 动态作用域

无论是with表达式还是try-catch表达式的子句catch，以及包含()的函数，都被认为是动态作用域。一个动态作用域因代码运行而生成存在，因此无法通过静态分析（通过查看代码）来确定是否存在动态作用域。例如：

function execute(code) { 
　　(code);
　　function subroutine(){ 
　　  return window;
}
　　var w = subroutine(); // w的值是什么？
};

execute()函数看上去像一个动态作用域，因为它使用了()。w变量的值与传入的code代码有关。大多数情况下，w将等价于全局的window对象。但是如果传入的是:

execute("var window = {};");

这种情况下，()在execute()函数中创建了一个局部window变量。所以w将等价于这个局部window变量而不是全局window的那个。所以不运行这段代码是无法预知最后的具体情况，标识符window的确切含义无法预先知道。

因此，只有在绝对必要时刻才推荐使用动态作用域。

Closure,Scope,and Memory 闭包，作用域，和内存

闭包是Javascript最强大的一个方面，它允许函数访问局部范围之外的的数据。为了解与闭包有关的性能问题，考虑下面的例子：

function assignEvents(){
　　var id = "xdi9592"; 
　　document.getElementById("save-btn").onclick = function(event){
　　　　saveDocument(id); 
  };
}

assignEvents()函数为DOM元素指定了一个事件处理句柄。此事件处理是一个闭包，当函数执行创建时可以访问其范围内部的id变量。而这种方法封闭了对id变量的访问，必须创建一个特定的作用域链。

当assignEvents()函数执行时，一个激活对象被创建，并且包含了一些应有的内容，其中包含id变量。它将成为运行期上下文作用域链上的第一个对象，全局对象是第二个。当闭包创建的时，[[Scope]]属性与这些对象一起被初始化，如下图：

由于闭包的[[Scope]]属性包含与运行期上下文作用域链相同的对象引用，会产生副作用，通常，一个函数的激活对象与运行期上下文一同销毁。当涉及闭包时，激活对象就无法销毁了，因为仍然存在于闭包的[[Scope]]属性中。这意味着脚本中的闭包与非闭包函数相比，需要更多的内存开销。尤其在IE，使用非本地Javascript对象实现DOM对象，闭包可能导致内存泄露。

当闭包被执行，一个运行期上下文将被创建，它的作用域链与[[Scope]]中引用的两个相同的作用域链同时被初始化，然后一个新的激活对象为闭包自身创建。如下图：

可以看到，id和saveDocument两个标识符存在于作用域链第一个对象之后的位置。这是闭包最主要的性能关注点：你经常访问一些范围之外的标识符，每次访问都将导致一些性能损失。

在脚本中最好小心的使用闭包，内存和运行速度都值得被关注。但是，你可以通过上文谈到的，将常用的域外变量存入局部变量中，然后直接访问局部变量。

Object Members 对象成员

对象成员包括属性和方法，在Javascript中，二者差别甚微。对象的一个命名成员可以包含任何数据类型。既然函数也是一种对象，那么对象成员除了传统数据类型外，也可以包含函数。当一个命名成员引用了一个函数时，它被称作一个“方法”，而一个非函数类型的数据则被称作“属性”。

如前所言，对象成员的访问比直接量和局部变量访问速度慢，在某些浏览器上比访问数组还慢，这与Javascript中对象的性质有关。

Prototype 原型　　

Javascript中的对象是基于原型的，一个对象通过内部属性绑定到它的原型。Firefox，Safari和Chrome向开发人员开放这一属性，称作_proto_。其他浏览器不允许脚本访问这个属性。任何时候我们创建一个内置类型的实现，如Object或Array，这些实例自动拥有一个Object作为它们的原型。而对象可以有两种类型的成员：实例成员和原型成员。实例成员直接存在于实例自身而原型成员则从对象继承。考虑如下例子：

var book = {
　　title: "High Performance JavaScript",
　　publisher: "Yahoo! Press" 
};
alert(book.toString()); //"[object Object]"

此代码中book有title和publisher两个实例成员。注意它并没有定义toString()接口，但这个接口却被调用且没有抛出错误。toString()函数就是一个book继承自原型对象的原型成员。下图表示了它们的关系：

处理对象成员的过程与处理变量十分相似。当book.toString()被调用时，对成员进行名为“toString”的搜索，首先从对象实例开始，若果没有名为toString的成员，那么就转向搜索原型对象，在那里发现了toString()方法并执行它。通过这种方法，book可以访问它的原型所拥有的每个属性和方法。

我们可以使用hasOwnProperty()函数确定一个对象是否具有特定名称的实例成员。实例略。

Prototype Chains 原型链

对象的原型决定了一个实例的类型。默认情况下，所有对象都是Object的实例，并继承了所有基本方法。如toString()。我们也可以使用构造器创建另外一种原型。例如：

function Book(title, publisher){ 
　　this.title = title;
　　this.publisher = publisher;
}

Book.prototype.sayTitle = function(){
　　alert(this.title); 
};
　　var book1 = new Book("High Performance JavaScript", "Prototype Chains"); 
　　var book2 = new Book("JavaScript: The Good Parts", "Prototype Chains"); 
　　alert(book1 instanceof Book); //true
　　alert(book1 instanceof Object); //true
　　book1.sayTitle(); //"High Performance JavaScript" 
　　alert(book1.toString()); //"[object Object]"

Book构造器用于创建一个新的book实例book1。book1的原型（_proto_）是Book.prototype，Book.prototype的原型是Object。这就创建了一条原型链。

注意，book1和book2共享了同一个原型链。每个实例拥有自己的title和publisher属性，其他成员均继承自原型。而正如你所怀疑的那样，深入原型链越深，搜索的速度就会越慢，特别是IE，每深入原型链一层都会增加性能损失。记住，搜索实例成员的过程比访问直接量和局部变量负担更重，所以增加遍历原型链的开销正好放大了这种效果。

Nested Members 嵌套成员

由于对象成员可能包含其他成员。譬如window.location.href(获取当前页面的url)这种模式。每遇到一个点号(.)，Javascript引擎就要在对象成员上执行一次解析过程，而且成员嵌套越深，访问速度越慢。location.href总是快于window.location.href，而后者比window.location.href.toString()更快。如果这些属性不是对象的实例成员，那么成员解析还要在每个点上搜索原型链，这将需要更多的时间。

Summary 总结

• 在Javascript中，数据存储位置可以对代码整体性能产生重要影响。有四种数据访问类型：直接量，变量，数组项，对象成员。对它们我们有不同的性能考虑。

• 直接量和局部变量的访问速度非常快，而数组项和对象成员需要更长时间。

• 局部变量比外部变量快，是因为它位于作用域链的第一个对象中。变量在作用域链中的位置越深，访问所需的时间就越长。而全局变量总是最慢的，因为它处于作用域链的最后一环。

• 避免使用with表达式，因为它改变了运行期上下文的作用域链。而且应当特别小心对待try-catch语句的catch子句，它具有同样的效果。

• 嵌套对象成员会造成重大性能影响，尽量少用。

• 一般而言，我们通过将经常使用的对象成员，数组项，和域外变量存入局部变量中。然后，访问局部变量的速度会快于那些原始变量。

通过上述策略，可以极大提高那些使用Javascript代码的网页应用的实际性能。

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