通过一个场景实例 了解前端处理大数据的无限可能

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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。

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;

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:

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:v2-1c2321a21044f86512aaec69259527e1_b

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:

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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。

 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:

还记得 b 数组是什么嘛?参考上文,它由

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”:

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:v2-890dbd1f0b9a52e3a2dc8f94cb1f9a57_b

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:

在实例化的时候,我们便可以这样使用:

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:

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!v2-fdf3c6976b8fc25879d9b04b3914f718_b

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:

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。

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:

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:

好吧,尝试完毕之后,我们在变回来。

这时候,自然有:

同时,再折腾一下:

相信下面的也不难理解了:

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。

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