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如何利用Fastify 实现更快的 JSON 序列化转载

8月前
201323

导语

对于 web 框架而言,更快的 HTTP 请求响应速度意味着更优异的性能。而 HTTP 协议是一个文本协议,传输的格式都是字符串,而我们在代码中常常操作的是 JSON 格式的数据。因此,需要在返回响应数据前将 JSON 数据序列化为字符串。JavaScript 原生提供了 JSON.stringify 这个方法,来将 JSON 转成字符串。先来介绍这个方法。

 

正文

缓慢的 JSON.stringify

由于 JavaScript 是一个动态语言,它的类型是在运行时才能确定,因此 JSON.stringify 的执行过程中要进行大量的类型判断,对不同类型的键值做不同的处理。由于不能做静态分析,我们很难做进一步优化。而且还需要一层一层的递归,循环引用的话还有爆栈的风险。在以性能著称的 Node.js 框架 Fastify 中,通过使用 fast-json-stringify 这个库,来替代 JSON.stringify,实现 JSON 序列化性能翻倍。那么,fast-json-stringify 是怎么做到的呢?

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fast-json-stringify 揭秘

fast-json-stringify 基于 JSON Schema Draft 7 来定义(JSON)对象的数据格式。比如对象:

{
    foo: 1, 
    bar: "abc"
}


它的 JSON Schema 可以是这样:

{
  type: "object",
  properties: {
    foo: {type: "integer"},
    bar: {type: "string"}
  },
  required: ["foo"]
}


除了这种简单的类型定义,JSON Schema 还支持一些条件运算,比如字段类型可能是字符串或者数字,可以用 oneOf 关键字:

 

"oneOf": [
  {
    "type": "string"
  },
  {
    "type": "number"
  }
]


关于 JSON Schema 的完整定义,可以参考 Ajv 的文档,Ajv 是一个流行的 JSON Schema验证工具,性能表现也非常出众。来看一段使用 fast-json-stringify 的简单代码:

require('http').createServer(handle).listen(3000)
var flatstr = require('flatstr')

var stringify = require('fast-json-stringify')({
  type: 'object',
  properties: { hello: { type: 'string' } }
})

function handle (req, res) {
  res.setHeader('Content-Type', 'application/json')
  res.end(flatstr(stringify({ hello: 'world' })))
}


这段代码里,fast-json-stringify 接受一个 JSON Schema 对象作为参数,生成了一个 stringify 函数。通常,Response 的数据结构是固定的,所以可以将其定义为一个 Schema,就相当于提前告诉 stringify 函数,需序列化的对象的数据结构,这样它就可以不必再在运行时去做类型判断。下面来看看 stringify 函数是如何生成的。

生成 stringify 函数

首先,需要对 JSON Schema 进行校验。底层校验逻辑是基于 Ajv 实现的,这里暂不赘述。然后需要预先注入一些工具方法,用于将一些常见类型转成字符串。

const asFunctions = `
  function $asAny (i) {
    return JSON.stringify(i)
  }

  function $asNull () {
    return 'null'
  }

  function $asInteger (i) {
    if (isLong && isLong(i)) {
      return i.toString()
    } else if (typeof i === 'bigint') {
      return i.toString()
    } else if (Number.isInteger(i)) {
      return $asNumber(i)
    } else {
      return $asNumber(parseInteger(i))
    }
  }

  function $asNumber (i) {
    const num = Number(i)
    if (isNaN(num)) {
      return 'null'
    } else {
      return '' + num
    }
  }

  function $asBoolean (bool) {
    return bool && 'true' || 'false'
  }

  // 省略了一些其他类型......
`


可以看到,如果你使用的是 any 类型,它内部依然还是用的 JSON.stringify。我们经常建议 ts 开发者避免使用 any 类型是有道理的,因为如果是基于 ts interface 生成 JSON Schema 的话,使用 any 也会影响到 JSON 序列化的性能。

接下来,遍历 schema,对不同类型调用对应的工具函数来生成代码。

let code = `
    'use strict'
    ${asFunctions}
`
let main
switch (schema.type) {
    // 省略了对象和数组
    case 'integer':
        main = '$asInteger'
        break
    case 'number':
        main = '$asNumber'
        break
    case 'boolean':
        main = '$asBoolean'
        break
    case 'null':
        main = '$asNull'
        break
    case undefined:
        main = '$asAny'
        break
    default:
        throw new Error(`${schema.type} unsupported`)
}

code += `
;
    return ${main}
`


最后,对生成出来的 code 调用 Function 构造函数。

const dependencies = [new Ajv(options.ajv)]
const dependenciesName = ['ajv']
dependenciesName.push(code)
return (Function.apply(null, dependenciesName).apply(null, dependencies))


这里将 ajv 对象作为参数注入到函数里,是为了处理 JSON Schema 中 if、then、else、anyOf 等情况。

由于是调用的 new Function 来动态执行代码,这里其实是有一定的安全风险的。所以建议开发者一定不要使用用户生成的 schema,保证生成的 schema 是安全可控的。

最终,开发者调用 stringify 函数,将 JSON 转成字符串。执行 stringify 的过程本质上就是在做字符串拼接。

总结

Fastify 使用 fast-json-stringify 替代 JSON.stringify,实现了更快的 JSON 序列化。它的原理是通过开发者预先定义 JSON Schema,使得框架可以提前知道 JSON 数据的结构。然后根据 JSON Schema 生成一个 stringify 函数,stringify 内部做的事情其实就是字符串拼接。最后开发者调用 stringify 函数来序列化 JSON。本质上是将类型分析从运行时提前到编译时了。

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Meguro
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