Node.js 服务性能翻倍的秘密（一）

前言

用过 Node.js 开发过的同学肯定都上手过 koa，因为他简单优雅的写法，再加上丰富的社区生态，而且现存的许多 Node.js 框架都是基于 koa 进行二次封装的。但是说到性能，就不得不提到一个知名框架： fastify ，听名字就知道它的特性就是快，官方给出的Benchmarks甚至比 Node.js 原生的 http.Server 还要快。

性能提升的关键

我们先看看 fastify 是如何启动一个服务的。

# 安装 fastify
npm i -S fastify@3.9.1

// 创建服务实例
const fastify = require('fastify')()

app.get('/', {
  schema: {
    response: {
      // key 为响应状态码
      '200': {
        type: 'object',
        properties: {
          hello: { type: 'string' }
        }
      }
    }
  }
}, async () => {
  return { hello: 'world' }
})

// 启动服务
;(async () => {
  try {
    const port = 3001 // 监听端口
    await app.listen(port)
    console.info(`server listening on ${port}`)
  } catch (err) {
    console.error(err)
    process.exit(1)
  }
})()

从上面代码可以看出，fastify 对请求的响应体定义了一个 schema，fastify 除了可以定义响应体的 schema，还支持对如下数据定义 schema：

1. body：当为 POST 或 PUT 方法时，校验请求主体；
2. query：校验 url 的 查询参数；
3. params：校验 url 参数；
4. response：过滤并生成用于响应体的 schema。

app.post('/user/:id', {
  schema: {
    params: {
      type: 'object',
      properties: {
          id: { type: 'number' }
      }
    },
    response: {
      // 2xx 表示 200~299 的状态都适用此 schema
      '2xx': {
        type: 'object',
        properties: {
          id: { type: 'number' },
          name: { type: 'string' }
        }
      }
    }
  }
}, async (req) => {
  const id = req.params.id
  const userInfo = await User.findById(id)
  // Content-Type 默认为 application/json
  return userInfo
})

让 fastify 性能提升的的秘诀在于，其返回 application/json 类型数据的时候，并没有使用原生的 JSON.stringify，而是自己内部重新实现了一套 JSON 序列化的方法，这个 schema 就是 JSON 序列化性能翻倍的关键。

如何对 JSON 序列化

在探索 fastify 如何对 JSON 数据序列化之前，我们先看看 JSON.stringify 需要经过多么繁琐的步骤，这里我们参考 Douglas Crockford （JSON 格式的创建者）开源的 JSON-js 中实现的 stringify 方法。

JSON-js：https://github.com/douglascrockford/JSON-js/blob/master/json2.js

// 只展示 JSON.stringify 核心代码，其他代码有所省略
if (typeof JSON !== "object") {
  JSON = {};
}
JSON.stringify = function (value) {
  return str("", {"": value})
}
function str(key, holder) {
  var value = holder[key];
  switch(typeof value) {
    case "string":
      return quote(value);
    case "number":
      return (isFinite(value)) ? String(value) : "null";
    case "boolean":
    case "null":
      return String(value);
    case "object":
      if (!value) {
        return "null";
      }
      partial = [];
      if (Object.prototype.toString.apply(value) === "[object Array]") {
        // 处理数组
        length = value.length;
        for (i = 0; i < length; i += 1) {
          // 每个元素都需要单独处理
          partial[i] = str(i, value) || "null";
        }
        // 将 partial 转成 ”[...]“
        v = partial.length === 0
          ? "[]"
          : "[" + partial.join(",") + "]";
        return v;
      } else {
        // 处理对象
        for (k in value) {
          if (Object.prototype.hasOwnProperty.call(value, k)) {
            v = str(k, value);
            if (v) {
              partial.push(quote(k) + ":" + v);
            }
          }
        }
        // 将 partial 转成 "{...}"
        v = partial.length === 0
          ? "{}"
            : "{" + partial.join(",") + "}";
        return v;
      }
  }
}

从上面的代码可以看出，进行 JSON 对象序列化时，需要遍历所有的数组与对象，逐一进行类型的判断，并对所有的 key 加上 ""，而且这里还不包括一些特殊字符的 encode 操作。但是，如果有了 schema 之后，这些情况会变得简单很多。fastify 官方将 JSON 的序列化单独成了一个仓库：fast-json-stringify，后期还引入了 ajv 来进行校验，这里为了更容易看懂代码，选择看比较早期的版本：0.1.0，逻辑比较简单，便于理解。

fast-json-stringify@0.1.0： https://github.com/fastify/fast-json-stringify/blob/v0.1.0/index.js

function $Null (i) {
  return 'null'
}

function $Number (i) {
  var num = Number(i)
  if (isNaN(num)) {
    return 'null'
  } else {
    return String(num)
  }
}

function $String (i) {
  return '"' + i + '"'
}

function buildObject (schema, code, name) {
  // 序列化对象 ...
}

function buildArray (schema, code, name) {
  // 序列化数组 ...
}

function build (schema) {
  var code = `
    'use strict'

    ${$String.toString()}
    ${$Number.toString()}
    ${$Null.toString()}
  `
  var main

  code = buildObject(schema, code, '$main')

  code += `
    ;
    return $main
  `

  return (new Function(code))()
}

module.exports = build

fast-json-stringify 对外暴露一个 build 方法，该方法接受一个 schema，返回一个函数（$main），用于将 schema 对应的对象进行序列化，具体使用方式如下：

const build = require('fast-json-stringify')

const stringify = build({
  type: 'object',
  properties: {
    id: { type: 'number' },
    name: { type: 'string' }
  }
})
console.log(stringify)

const objString = stringify({
  id: 1, name: 'shenfq'
})
console.log(objString) // {"id":1,"name":"shenfq"}

经过 build 构造后，返回的序列化方法如下：

function $String (i) {
  return '"' + i + '"'
}
function $Number (i) {
  var num = Number(i)
  if (isNaN(num)) {
    return 'null'
  } else {
    return String(num)
  }
}
function $Null (i) {
  return 'null'
}
// 序列化方法
function $main (obj) {
  var json = '{'

  json += '"id":'

  json += $Number(obj.id)
  json += ','
  json += '"name":'

  json += $String(obj.name)

  json += '}'
  return json
}

可以看到，有 schema 做支撑，序列化的逻辑瞬间变得无比简单，最后得到的 JSON 字符串只保留需要的属性，简洁高效。我们回过头再看看 buildObject 是如何生成 $main 内的代码的：

function buildObject (schema, code, name) {
  // 构造一个函数
  code += `
    function ${name} (obj) {
      var json = '{'
  `
  var laterCode = ''
  // 遍历 schema 的属性
  const { properties } = schema
  Object.keys(properties).forEach((key, i, a) => {
    // key 需要加上双引号
    code += `
      json += '${$String(key)}:'
    `
    // 通过 nested 转化 value
    const value = properties[key]
    const result = nested(laterCode, name, `.${key}`, value)

    code += result.code
    laterCode = result.laterCode

    if (i < a.length - 1) {
      code += 'json += \',\''
    }
  })

  code += `
      json += '}'
      return json
    }
  `

  code += laterCode

  return code
}

function nested (laterCode, name, key, schema) {
  var code = ''
  var funcName
  // 判断 value 的类型，不同类型进行不同的处理
  const type = schema.type
  switch (type) {
    case 'null':
      code += `
      json += $Null()
      `
      break
    case 'string':
      code += `
      json += $String(obj${key})
      `
      break
    case 'number':
    case 'integer':
      code += `
      json += $Number(obj${key})
      `
      break
    case 'object':
      // 如果 value 为一个对象，需要一个新的方法进行构造
      funcName = (name + key).replace(/[-.\[\]]/g, '')
      laterCode = buildObject(schema, laterCode, funcName)
      code += `
        json += ${funcName}(obj${key})
      `
      break
    case 'array':
      funcName = (name + key).replace(/[-.\[\]]/g, '')
      laterCode = buildArray(schema, laterCode, funcName)
      code += `
        json += ${funcName}(obj${key})
      `
      break
    default:
      throw new Error(`${type} unsupported`)
  }

  return {
    code,
    laterCode
  }
}

其实就是对 type 为 "object" 的 properties 进行一次遍历，然后针对 value 不同的类型进行二次处理，如果碰到新的对象，会构造一个新的函数进行处理。

// 如果包含子对象
const stringify = build({
  type: 'object',
  properties: {
    id: { type: 'number' },
    info: {
      type: 'object',
      properties: {
        age: { type: 'number' },
        name: { type: 'string' },
      }
    }
  }
})

console.log(stringify.toString())

function $main (obj) {
  var json = '{'

  json += '"id":'

  json += $Number(obj.id)
  json += ','
  json += '"info":'

  json += $maininfo(obj.info)

  json += '}'
  return json
}

// 子对象会通过另一个函数处理
function $maininfo (obj) {
  var json = '{'

  json += '"age":'

  json += $Number(obj.age)
  json += ','
  json += '"name":'

  json += $String(obj.name)

  json += '}'
  return json
}

总结

当然，fastify 之所以号称自己快，内部还有一些其他的优化方法，例如，在路由库的实现上使用了 Radix Tree 、对上下文对象可进行复用（使用 middie 库）。本文只是介绍了其中的一种体现最重要明显优化思路，希望大家阅读之后能有所收获。