精读《函数缓存》

1 引言

函数缓存是重要概念,本质上就是用空间(缓存存储)换时间(跳过计算过程)。

对于无副作用的纯函数,在合适的场景使用函数缓存是非常必要的,让我们跟着 https://whatthefork.is/memoiz... 这篇文章深入理解一下函数缓存吧!

2 概述

假设又一个获取天气的函数 getChanceOfRain,每次调用都要花 100ms 计算:

import { getChanceOfRain } from "magic-weather-calculator";
function showWeatherReport() {
  let result = getChanceOfRain(); // Let the magic happen
  console.log("The chance of rain tomorrow is:", result);
}

showWeatherReport(); // (!) Triggers the calculation
showWeatherReport(); // (!) Triggers the calculation
showWeatherReport(); // (!) Triggers the calculation

很显然这样太浪费计算资源了,当已经计算过一次天气后,就没有必要再算一次了,我们期望的是后续调用可以直接拿上一次结果的缓存,这样可以节省大量计算。因此我们可以做一个 memoizedGetChanceOfRain 函数缓存计算结果:

import { getChanceOfRain } from "magic-weather-calculator";
let isCalculated = false;
let lastResult;
// We added this function!
function memoizedGetChanceOfRain() {
  if (isCalculated) {
    // No need to calculate it again.
    return lastResult;
  }
  // Gotta calculate it for the first time.
  let result = getChanceOfRain();
  // Remember it for the next time.
  lastResult = result;
  isCalculated = true;
  return result;
}
function showWeatherReport() {
  // Use the memoized function instead of the original function.
  let result = memoizedGetChanceOfRain();
  console.log("The chance of rain tomorrow is:", result);
}

在每次调用时判断优先用缓存,如果没有缓存则调用原始函数并记录缓存。这样当我们多次调用时,除了第一次之外都会立即从缓存中返回结果:

showWeatherReport(); // (!) Triggers the calculation
showWeatherReport(); // Uses the calculated result
showWeatherReport(); // Uses the calculated result
showWeatherReport(); // Uses the calculated result

然而对于有参数的场景就不适用了,因为缓存并没有考虑参数:

function showWeatherReport(city) {
  let result = getChanceOfRain(city); // Pass the city
  console.log("The chance of rain tomorrow is:", result);
}

showWeatherReport("Tokyo"); // (!) Triggers the calculation
showWeatherReport("London"); // Uses the calculated answer

由于参数可能性很多,所以有三种解决方案:

1. 仅缓存最后一次结果

仅缓存最后一次结果是最节省存储空间的,而且不会有计算错误,但带来的问题就是当参数变化时缓存会立即失效:

import { getChanceOfRain } from "magic-weather-calculator";
let lastCity;
let lastResult;
function memoizedGetChanceOfRain(city) {
  if (city === lastCity) {
    // Notice this check!
    // Same parameters, so we can reuse the last result.
    return lastResult;
  }
  // Either we're called for the first time,
  // or we're called with different parameters.
  // We have to perform the calculation.
  let result = getChanceOfRain(city);
  // Remember both the parameters and the result.
  lastCity = city;
  lastResult = result;
  return result;
}
function showWeatherReport(city) {
  // Pass the parameters to the memoized function.
  let result = memoizedGetChanceOfRain(city);
  console.log("The chance of rain tomorrow is:", result);
}

showWeatherReport("Tokyo"); // (!) Triggers the calculation
showWeatherReport("Tokyo"); // Uses the calculated result
showWeatherReport("Tokyo"); // Uses the calculated result
showWeatherReport("London"); // (!) Triggers the calculation
showWeatherReport("London"); // Uses the calculated result

在极端情况下等同于没有缓存:

showWeatherReport("Tokyo"); // (!) Triggers the calculation
showWeatherReport("London"); // (!) Triggers the calculation
showWeatherReport("Tokyo"); // (!) Triggers the calculation
showWeatherReport("London"); // (!) Triggers the calculation
showWeatherReport("Tokyo"); // (!) Triggers the calculation

2. 缓存所有结果

第二种方案是缓存所有结果,使用 Map 存储缓存即可:

// Remember the last result *for every city*.
let resultsPerCity = new Map();
function memoizedGetChanceOfRain(city) {
  if (resultsPerCity.has(city)) {
    // We already have a result for this city.
    return resultsPerCity.get(city);
  }
  // We're called for the first time for this city.
  let result = getChanceOfRain(city);
  // Remember the result for this city.
  resultsPerCity.set(city, result);
  return result;
}
function showWeatherReport(city) {
  // Pass the parameters to the memoized function.
  let result = memoizedGetChanceOfRain(city);
  console.log("The chance of rain tomorrow is:", result);
}

showWeatherReport("Tokyo"); // (!) Triggers the calculation
showWeatherReport("London"); // (!) Triggers the calculation
showWeatherReport("Tokyo"); // Uses the calculated result
showWeatherReport("London"); // Uses the calculated result
showWeatherReport("Tokyo"); // Uses the calculated result
showWeatherReport("Paris"); // (!) Triggers the calculation

这么做带来的弊端就是内存溢出,当可能参数过多时会导致内存无限制的上涨,最坏的情况就是触发浏览器限制或者页面崩溃。

3. 其他缓存策略

介于只缓存最后一项与缓存所有项之间还有这其他选择,比如 LRU(least recently used)只保留最小化最近使用的缓存,或者为了方便浏览器回收,使用 WeakMap 替代 Map。

最后提到了函数缓存的一个坑,必须是纯函数。比如下面的 CASE:

// Inside the magical npm package
function getChanceOfRain() {
  // Show the input box!
  let city = prompt("Where do you live?");
  // ... calculation ...
}
// Our code
function showWeatherReport() {
  let result = getChanceOfRain();
  console.log("The chance of rain tomorrow is:", result);
}

getChanceOfRain 每次会由用户输入一些数据返回结果,导致缓存错误,原因是 “函数入参一部分由用户输入” 就是副作用,我们不能对有副作用的函数进行缓存。

这有时候也是拆分函数的意义,将一个有副作用函数的无副作用部分分解出来,这样就能局部做函数缓存了:

// If this function only calculates things,
// we would call it "pure".
// It is safe to memoize this function.
function getChanceOfRain(city) {
  // ... calculation ...
}
// This function is "impure" because
// it shows a prompt to the user.
function showWeatherReport() {
  // The prompt is now here
  let city = prompt("Where do you live?");
  let result = getChanceOfRain(city);
  console.log("The chance of rain tomorrow is:", result);
}

最后,我们可以将缓存函数抽象为高阶函数:

function memoize(fn) {
  let isCalculated = false;
  let lastResult;
  return function memoizedFn() {
    // Return the generated function!
    if (isCalculated) {
      return lastResult;
    }
    let result = fn();
    lastResult = result;
    isCalculated = true;
    return result;
  };
}

这样生成新的缓存函数就方便啦:

let memoizedGetChanceOfRain = memoize(getChanceOfRain);
let memoizedGetNextEarthquake = memoize(getNextEarthquake);
let memoizedGetCosmicRaysProbability = memoize(getCosmicRaysProbability);

isCalculatedlastResult 都存储在 memoize 函数生成的闭包内,外部无法访问。

3 精读

通用高阶函数实现函数缓存

原文的例子还是比较简单,没有考虑函数多个参数如何处理,下面我们分析一下 Lodash memoize 函数源码:

function memoize(func, resolver) {
  if (
    typeof func != "function" ||
    (resolver != null && typeof resolver != "function")
  ) {
    throw new TypeError(FUNC_ERROR_TEXT);
  }
  var memoized = function () {
    var args = arguments,
      key = resolver ? resolver.apply(this, args) : args[0],
      cache = memoized.cache;

    if (cache.has(key)) {
      return cache.get(key);
    }
    var result = func.apply(this, args);
    memoized.cache = cache.set(key, result) || cache;
    return result;
  };
  memoized.cache = new (memoize.Cache || MapCache)();
  return memoized;
}

原文有提到缓存策略多种多样,而 Lodash 将缓存策略简化为 key 交给用户自己管理,看这段代码:

key = resolver ? resolver.apply(this, args) : args[0];

也就是缓存的 key 默认是执行函数时第一个参数,也可以通过 resolver 拿到参数处理成新的缓存 key。

在执行函数时也传入了参数 func.apply(this, args)

最后 cache 也不再使用默认的 Map,而是允许用户自定义 lodash.memoize.Cache 自行设置,比如设置为 WeakMap:

_.memoize.Cache = WeakMap;

什么时候不适合用缓存

以下两种情况不适合用缓存:

  1. 不经常执行的函数。
  2. 本身执行速度较快的函数。

对于不经常执行的函数,本身就不需要利用缓存提升执行效率,而缓存反而会长期占用内存。对于本身执行速度较快的函数,其实大部分简单计算速度都很快,使用缓存后对速度没有明显的提升,同时如果计算结果比较大,反而会占用存储资源。

对于引用的变化尤其重要,比如如下例子:

function addName(obj, name){
  return {
    ...obj,
    name:
  }
}

obj 添加一个 key,本身执行速度是非常快的,但添加缓存后会带来两个坏处:

  1. 如果 obj 非常大,会在闭包存储完整 obj 结构,内存占用加倍。
  2. 如果 obj 通过 mutable 方式修改了,则普通缓存函数还会返回原先结果(因为对象引用没有变),造成错误。

如果要强行进行对象深对比,虽然会避免出现边界问题,但性能反而会大幅下降。

4 总结

函数缓存非常有用,但并不是所有场景都适用,因此千万不要极端的将所有函数都添加缓存,仅限于计算耗时、可能重复利用多次,且是纯函数的。

讨论地址是:精读《函数缓存》· Issue #261 · dt-fe/weekly

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