柚木

通过一个场景实例 了解前端处理大数据的无限可能

随着前端的飞速发展,在浏览器端完成复杂的计算,支配并处理大量数据已经屡见不鲜。那么,如何在最小化内存消耗的前提下,高效优雅地完成复杂场景的处理,越来越考验开发者功力,也直接决定了程序的性能。

**本文展现了一个完全在控制台就能模拟体验的实例,**通过一步步优化,实现了生产并操控多个1000000(百万级别)对象的场景。

导读:这篇文章涉及到 javascript 中 数组各种操作、原型原型链、ES6、classes 继承、设计模式、控制台分析 等内容。

要求阅读者具有 js 面向对象扎实的基础知识。如果你是初级前端开发者,很容易被较为复杂的逻辑绕的云里雾里,“从入门到放弃”,不过建议先收藏。如果你是“老司机”,本文提供的解决思路希望对你有所启发,抛砖引玉。

场景和初级感知

具体来说,我们需要一个构造函数,或者说类似 factory 模式,实例化1000000个以上对象实例。

先来感知一下具体实现:

Step1

**打开你的浏览器控制台,**仔细观察并复制粘贴以下代码,触发执行。

a = new Array(1e6).fill(0);

我们创建了一个长度为1000000的数组,数组的每一项元素都为0。

Step2

在数组 a 的基础上,再生产一个长度为1000000的数组 b,数组的每一项元素都是一个普通 javascript object,拥有 id 属性,并且其 id 属性值为其在元素中的 index 值;

b = a.map((val, ix) => ({id: ix}))

Step3

接下来,在 b 的基础上,再生产一个长度为1000000的数组 c ,类似于 b,同时我们增加一些其它属性,使得数组元素对象更加复杂一些:

c = a.map((val, ix) => ({id: ix, shape: 'square', size: 10.5, color: 'green'}))

语义上,我们可以更直观的理解:c 就是包含了1000000个元素的数组,每一项都是一个绿色的、size 为10.5的小方块。

如果你按照指示做了下来,控制台上会有以下内容:

深层探究

你也许会想,这么大的数据量,内存占用会是什么样的情况呢?

好,我来带你看看,点击控制台 Profiles,选择 Take Shapshot。在Window->Window 目录下,根据内存进行筛选,你会得到:

很明显,我们看到:

  • a数组:8MB;
  • b数组:40MB;
  • c数组:64MB

也许在实际场景中,**除了1000000个绿色的、size为10.5的小方块,我们还需要很多不同颜色,不同 size 的形状。**之前,这样“变态”的需求常见于游戏应用中。但是现在,复杂项目中类似场景,也许距离你并不遥远。

ES6 Classes处理需求

简单“热身”之后,我们了解了实际需求。接下来,我们考察一下 ES6 Classes 处理这个问题的情况。请重新刷新浏览器 tab,复制执行以下代码。

class Shape {
    constructor (id, shape = 'square', size = 10.5, color = 'green') {
        this.x = x; //  坐标x轴
        this.y = y; //  坐标y轴
        Object.assign(this, {id, shape, size, color})
    }
}

a = new Array(1e6).fill(0);
b = a.map((val, ix) => new Shape(ix));

我们使用了ES6 Classes,并扩充了每个形状的坐标信息。 此时,再来看一下内存占用情况:

很明显,此时 b 数组由100000个形状组成,占据内存:80MB,超过了先前数组的内存消耗。也许这并不出乎意料,此时的b数组毕竟又多了两个属性。

优化设计:Two-Headed Classes

我们先来分析一下上面的实现,熟悉原型链、原型概念的同学也许会明白,之前的方案产生的实例,顺着原型链上溯,具有三层原型属性:

第一层:[id, shape, size, color, x, y]; 这一层属性的 hasOwnproperty 为 true; 属性存在于实例本身。

第二层:[Shape]; 顺着原型链上溯,这一层 instance.proto === Constructor.prototype; ( proto 左右两边 __ 被编辑器吃掉了,请见谅,下同)

第三层:[Object]; 这一层: instance.proto.__proto__ === Object.prototype; 如果在向上追溯,就为 null 了。

这样的情况下,实际业务数据层只有一层,即为第一层。

但是,请仔细思考,如果有大量的不同颜色,不同size,不同形状的情况下。单一数据层,是难以满足我们需求的。 我们需要,再添加一层数据层,构成所谓的 **Two-Headed Classes!**同时,还需要对于默认的属性,实现共享,以节省内存的占用。

什么什么?没听明白,那就请看具体操作吧。

如何实现?

我们可以使用 Object.create 方法,这样使得生产得到的实例的 proto 指向 b 数组的元素,然后在最顶层设计一个 id 属性。

也许这样说过于晦涩,那就直接参考代码吧,请注意,这是本篇文章最难以理解的地方,请务必仔细揣摩:

two = Object.create(b[0]); 
// two.__proto__ === b[0]
two.id = 1;

还记得 b 数组是什么嘛?参考上文,它由

b = a.map((val, ix) => new Shape(ix));

得到。

这样子的话,对于每一个实例,我们有如下关系:

第一层:[id]; 这一层实例的 hasOwnproperty 为 true;

第二层:[id, shape, size, color, x, y]; 这一层 instance.proto === Constructor.prototype;

第三层:[Shape];

第四层:[Object]; 这一层的再顶层,就为null了。

我们将 Shape 的一个实例作为一个新的 object 的原型,并复写了 id 属性,原有的 id 属性将作为默认 id。

当然,上边的代码只是“个案”,我们进行“生产化”:

proto = new Shape(0);
function newTwoHeaded (ix) {
    const obj = Object.create(proto);
    obj.id = ix;
    return obj
}
c = a.map((val, ix) => newTwoHeaded(ix));

这么做多加入了一个数据层,那么有什么“收获”呢?我们来看一下b和c的内存占用情况吧:

这表明:我们从80MB的b,优化得到了64MB的c! 原因当然就在于虽然多加了一层原型结构,但是第二层变成了“共享”。

当然,如果到这里你还没有晕的话,可能要问:那第二层诸如 shape, size, color 这些属性变成共享的之后,存在互相干扰怎么破解呢?

好问题,我先不解答,先给大家看一下最后的 final product:

class ShapeMaker {
    constructor () {
        Object.assign(this, ShapeMaker.defaults())
    }
    static defaults () {
        return {
            id: null,
            x: 0,
            y: 0,
            shape: 'square',
            size: 0.5,
            color: 'red',
            strokeColor: 'yellow',
            hidden: false,
            label: null,
            labelOffset: [0, 0],
            labelFont: '10px sans-serif',
            labelColor: 'black'
        }
    }
    newShape (id, x, y) {
        const obj = Object.create(this);
        return Object.assign(obj, {id, x, y})
    }
    setDefault (name, value) {
        this[name] = value;
    }
    getDefault (name) {
        return this[name]
    }
}

在实例化的时候,我们便可以这样使用:

shapeProto = new ShapreMaker();
d = a.map((val, ix) => shapeProto.newShape(ix, ix/10, -ix/10))

就像上面所说的,初始化实例时,我们初始化了 id, x, y 这么三个参数。作为该实例本身的数据层。这个实例的原型上,也有类似的参数,来保证默认值。这些原型上的属性,对于实例数组中的每个实例,都是共享的。

为了更好的对比,如果设计是这样子:

function fatShape (id, x, y) {
    const a = new shapeMaker();
    return Object.assign(a, {id, x, y})
}
e = a.map((val, ix) => fatShape(ix, ix/10, -ix/10))

那么所有属性无法共享,而是各自拷贝了一份。在内存的占用上,将是我们给出方案的三倍之多!

阿喀琉斯之踵

阿喀琉斯,是凡人珀琉斯和美貌仙女忒提斯的宝贝儿子。忒提斯为了让儿子炼成“金钟罩”,在他刚出生时就将其倒提着浸进冥河,遗憾的是,乖儿被母亲捏住的脚后跟却不慎露在水外,全身留下了惟一一处“死穴”。后来,阿喀琉斯被帕里斯一箭射中了脚踝而死去。 后人常以“阿喀琉斯之踵”譬喻这样一个道理:即使是再强大的英雄,他也有致命的死穴或软肋。

就像我们刚才提的到解决方案一样,也有一些“不足”。问题其实在之前我也已经抛出:“第二层诸如:shape, size, color 这些属性变成共享的之后,存在互相干扰怎么破解呢?”

这个问题的答案其实也隐藏在上面的代码中,很简单,就是我们在实例的自身属性上,进行复写,而避免更改原型上的属性造成污染。

如果你看的云里雾里,不要紧,马上看一下我下面的代码说明:

d.every((item) => item.shape === 'square') // true

打印为 true,是因为 d 数组中的每个实例的 shape 属性,都在原型上,且初始值都为'square';

现在我们调用 setDefault 方法,实现对默认 shape 的改写。

shapeProto.setDefault('shape', 'circle');
d.every((item) => item.shape === 'square'); // false

因为此时所有实例的 shape 都在原型上,并共享这个原型。更改之后,我们有:

d.every((item) => item.shape === 'circle'); // true

但是,我只想把第一个实例的 shape 设置为 triangle,其他的不变,该怎么办呢?只需要在第一个实例上,增加一个 shape 属性,进行重写:

d[0].shape = 'triangle';
d.every((item) => item.shape === 'circle'); // false

好吧,尝试完毕之后,我们在变回来。

d[0].shape = 'circle';

这时候,自然有:

d.every((item) => item.shape === 'circle'); // true

同时,再折腾一下:

d[0].shape = 'triangle';
d.every((item) => item.shape === 'triangle'); // false

相信下面的也不难理解了:

shapeProto.setDefault('shape', 'triangle');
d.every((item) => item.shape === 'triangle'); // true

这种模式其实比单纯使用ES6 Classes要灵活的多,同时也节省了内存。所有的静态属性都是共享的,但是共享的静态属性又都是可变的,可复写的。

总结

这篇文章,我们在开头部分了解到了在大量数据的情况下,内存的占用是如何一步一步变的沉重。同时,我们提供了一种,在传统的 Classes 之上增加一个数据层的方法,有效地解决了这个问题。解决方案充分利用了 Object.create 等手段。

当然,理解这些内容并不简单,需要读者有比较扎实的 javascript 基础。在您阅读过程当中,有任何问题,欢迎与我讨论。

内容借鉴了Owen Densmore最新文章:Two Headed ES6 Classes!,喜欢看英文原版的同学可以直接戳链接。中文翻译版并非直译,进行了较大幅度的讲解和增删。

Happy Coding!

PS: 作者Github仓库知乎问答链接 欢迎各种形式交流。