性能测试和调优

你不知道的JavaScript读书笔记

之前我们讨论过宏观层面上的JavaScript性能问题，讨论了asm.js、WebAssembly和WebWorker技术，接下来我们探究一下JavaScript在微观层面上的性能问题，并逐步了解这些性能问题是否真实存在，以及是否需要花大量时间去优化。

性能测试问题

如果我们要测试一段代码的运行速度（执行时间），我们通常第一时间会想到编写以下代码进行测试：

var start = Date.now()

// do something

console.log('用时:' + (Date.now() - start))

这在很长一段时间里，我都认为这段代码能测试出绝大数多正确的结果，而事实上这段代码的结果非常不准确

它很有可能报告的时间是0，因为他的运行时间可能小于1ms。或者在一些早期引擎中，定时器的精度只有15ms，也就是这个运算至少要运行15ms才会有结果输出。
对于一个单次的运行几乎没有任何参考价值，我们不能保证引擎或系统在此刻没有受到其他因素干扰。
在获得时间戳时可能存在延迟。
不能确定引擎是否对这段测试代码进行了优化。在真实程序中引擎是否会同样优化这段代码，如果不能，这就会导致真实环境中代码运行变慢。

Benchmark.js

基于以上自写测试用例的弊端，我们首先需要做的是重复，简单的说，就是用循环把测试代码包起来，但这并不是一个简单的循环多次求平均值的过程，相关的考虑因素还有定时器精度，结果分布情况等。可靠的测试应该结合统计学的合理实践，所以在自己没有更好的解决方法之前，选用成熟的测试工具是一个正确的决定，Benchmark.js就是一个这样的js库。

npm方式安装benchmark

npm install benchmark --save

编写一个测试文件

// index.js
var Benchmark = require('benchmark');

function foo () {
  var arr = new Array(10000)

  for(var i = 0;i < arr.length;i++) {
    arr[i] = 0
  }
}

var bench = new Benchmark(
  'foo test', // 测试名
  foo, // 测试内容
  {
    setup: `console.log('start')`, // 每个测试循环开始时调用
    teardown: `console.log('over')` // 每个测试循环结束时调用
  }
)
bench.run() // 开始测试

console.log(bench.hz) // 每秒运行数
console.log(bench.stats.moe) // 出错边界
console.log(bench.stats.variance) // 样本方差

第三个参数中的setup和teardown是我们尤其要注意的，第三个参数指定测试用例的一些额外信息，其中的setup表示每个测试周期开始时执行的方法，可以只是方法体，也可以是指定方法，teardown表示每个测试周期结束时执行的方法，类型同上。也就是运行上面的代码setup不止执行一次，具体执行次数由Benchmark.prototype.circle决定。

性能优化的注意点

性能优化是否存在真实意义

比如在一次测试环境中，测试运算A每秒可运行10 000 000次，运算B每秒可运行8 000 000，这只能在数学意义上来讲B比A慢了20%。我们换个比较方法，从上面的结果不难推出A单次运行需要100ns，据说人眼通常能分辨100ms以下的事件，人脑可以处理的最快速度是13ms。也就是运算A要运行650 000次才能有希望被人类感知到，而在web应用中，几乎很少会进行类似的操作。比较这么微小的差异和比较++a a++在性能上的差异一样，意义不大。

引擎优化

由于引擎优化的存在，所以你不能确定一个运算A是否始终比运算B快，下面的代码

var a = '12'

// 测试1
var A = Number(a)

// 测试2
var B = parseInt(a)

这段代码想比较Number和parseInt在类型转换上的性能差异，但是由于引擎优化的存在，这种测试会变得没有参考性，由于引擎优化没有被纳入es的规范内容，可能有些引擎在运行测试代码的时候进行了启发式优化，它发现A和B都没有在后续被使用，所以在整个测试中实际上什么事情都没有发生，而在真实环境中，可能又并非如此。所以我们必须让测试环境更可能的接近真实环境。

jsPerf.com

很多情况下需要测试不同环境下的代码运行情况，比如在chrome和在手机版chrome中的结果对比，在满电手机和电量2%以下手机的运行结果对比。jsPerf.com是一个共享测试用例和测试结果的平台。

过早优化是万恶之源

程序员们浪费了大量的时间用于思考，或担心他们的程序中非关键部分的速度，这些针对效率的努力在调试和维护方面带来了强烈的负面效果。我们应该在，比如说97%的时间里，忘掉小处的效率：过早优化是万恶之源。但我们不应该错过关键的3%的机会。《计算访谈6》

不应该在非关键部分花太多时间，比如你的应用是一个动画表现的应用，就应该重点优化动画循环相关的代码。

测试用例举例

// 测试1
var x = [1,2,3,4,5]
x.sort()

// 测试2
var x = [1,2,3,4,5]

x.sort(function (a,b) {
  return a - b
})

这两个测试对比sort(..)内建方法和自定义方法的性能，但是这创建的了一个不公平的对比：

在循序测试中，自定义方法会不断被创建，这显然会增加额外的开销。
忽略了内建方法的额外工作：内建方法是将比较值强制装换成字符串进行比较，比如内建排序会把18排在2前面。

// 测试1
var x = false;
var y = x ? 1 : 2;

// 测试2
var x;
var y = x ? 1 : 2;

上面这个测试如果是想比较Boolean值强制类型转换对性能的影响，那么就创建了一个不公平的对比，因为测试2少做了x的赋值操作。要消除这个影响，应该这样做：

// 测试2
var x = undefined;
var y = x ? 1 : 2;

最后我们来实际测试一下，在for循环中是否需要预先将arr.length设定好

var Benchmark = require('benchmark');

var suite = new Benchmark.Suite; // Benchmark.Suite是用来比较多个测试用例的类
var arr = new Array(1000)

suite.add('len', function () { // 添加一个测试用例

  for (var i = 0; i < arr.length; i++) {
    arr[i] = 1
  }
  
}, {
  setup: function () {
    arr = new Array(1000)
  }
})
.add('preLen', function () {

  for (var i = 0, len = arr.length; i < len; i++) {
    arr[i] = 1
  }

}, {
  setup: function () {
    arr = new Array(1000)
  }
})
.run()

console.log(suite[0].hz) 
console.log(suite[1].hz) 
// 1160748.8603394227 // 1188525.8945115102 // 1182959.0564495493
// 1167161.734632912 // 1196721.6273367293 // 1195146.3296931305

以上代码的测试环境为nodejs@v8.11.4，测试结果可以看出将arr.length提前保存反而会造成反优化，其实背后的原因就是在v8等现代JavaScript引擎中对这种循环已经做过优化，不会在每次循环都会去访问arr.length，所以开发者不再需要考虑这方面的问题，不要想在这方面能比引擎更聪明，结果只会适得其反。

尾调用优化

es规范通常不会涉及性能方面的要求，但es6中有一个例外，那就是尾调用优化(Tail Call Optimization, TCO)，简单的说，尾调用就是在一个函数的末尾进行的函数调用。

在递归中，尾调用优化可能起到非常重要的作用

// 非尾调用
function foo () {
  foo()
}

// 非尾调用
function foo () {
  return 1 + foo()
}

// 尾调用
function foo () {
  return foo()
}

调用一个新的函数需要额外预留一块内存来管理调用帧，称为栈帧，在没有TCO的递归调用中，递归层级太多会导致栈溢出，递归无法运行。而在支持TCO的环境并正确书写TCO规范的递归函数，第二层的递归函数中直接使用上层函数的栈帧，依次类推。这样不仅速度快，也更节省内存。

感谢评论区大佬的指正，TCO虽然是es6的一部分，但实质是个非常有争议的提案，主流浏览器几乎没有实现它，chrome实现过一段时间，chrome已经弃用，这是一份支持尾调用优化的引擎列表compat-table，可以看到Safari@12支持尾调用优化，有兴趣的小伙伴可以去验证一下。递归通常是堆栈溢出的“高发区”，我们可以将递归改为循环的方式避免使用递归

"use strict"
var a = 0,
    b = 0;
function demo () {
    a++

    if (a < 100000) {
        return demo()
    }

    return a
}

setTimeout(() => {
    console.log('递归： ' + demo())
},1000)

function demo2 () {
    b++

    if (b < 100000) {

        return function () {
            return demo2()
        }
    }

    return b
}

function runner (fn) {
    let val = fn()

    while (typeof val == 'function') {
        val = val()
    }

    return val
}

setTimeout(() => {
    console.log('循环：' + runner(demo2))
})

我们可以使用nvm安装node@6.2.0使用--harmony_tailcalls参数体验尾调用优化上面的代码运行结果