整理AngularJS框架使用过程当中的一些性能优化要点

1. 简介

无论你正在编写一个旧的应用程序还是在一个大型应用中采用AngularJS,性能是一个重要的方面。了解是什么原因导致AngularJS应用程序慢下来非常重要,要知道,在开发过程中做出权衡是很重要的。本文将介绍一些AngularJS比较常见的性能问题,以及优化的建议。

2. 性能测试工具

本文采用jsPerf http://jsperf.com/ 性能测试的基准。

3. 软件性能

评价软件性能有两个基本的因素:

首先是算法的时间复杂度。一个简单的例子就是线性搜索和二分检索有着非常显著的性能差距。

第二个软件缓慢的原因被称为空间复杂度。这是一台电脑需要多少“空间”或内存运行你的应用程序。内存需求越多,运行速度就越慢。


4 Javascript的性能

有些性能问题不仅仅是Angular带来的,而是JavaScript本来就有的。

4.1 循环

避免在循环内部调用函数,可以移到外部调用。

var sum = 0;
for(var x = 0; x < 100; x++){
 var keys = Object.keys(obj);
 sum = sum + keys[x];
}

上面的方面明显没有下面的快:

var sum = 0;
var keys = Object.keys(obj);
for(var x = 0; x < 100; x++){
 sum = sum + keys[x];
}

4.2 DOM访问

在获取DOM元素时要注意

angular.element('div.elementClass')

这种方式是非常昂贵的。其实这在AngularJS中并不会引起太大的问题。但是留意一下是有好处的。DOM树要小,DOM的访问要尽可能的少。

4.3 变量作用范围垃圾回收

把你的变量作用范围限制地越紧密越好,这样垃圾回收器就可以更快地回收空间。注意下面的问题:

function demo(){
 var b = {childFunction: function(){
  console.log('hi this is the child function')
 };
 b.childFunction();
 return b;
}


当这个函数终上了,这里就没有到b的引用。b就会被回收了。但是如果有这样一行:

var cFunc = demo();

这个引用就会阻止垃圾回收。要尽量避免这类引用。

4.4 数组和对象

这里有很多点:

比如:

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

比这一种快一点(注* arr为数组, obj为json对象)

for (var x=0; x<100; x++) {
 i = obj[x].index;
}

比这一种更快一点

var keys = Object.keys(obj);
for (var x = 0; x < keys.length; x++){
 i = obj[keys[x]].index;
}


5 重要的概念

我们已经讨论过有关JavaScript的性能,现在有必要看一看AngualrJS中的核心概念,看看它究竟是怎么运作的。

5.1 域(Scopes)和更新周期(Digest Cycle)

Angular的域本质上是一些JavaScript对象,它们从一些预定义的对象继承而来。基本上,小的域比大的域运行要快。

换句话说,每创建一个新的域,都会给垃圾回收器添加更多待回收的内容。

在写AngularJS应用中尤其要注意的一个核心概念和性能影响方面是更新周期(Digest Cycle)。实际上每一个域都会存放一个由方法组成的数组 $$watchers。

每当域中的一个值(属性)或绑定的DOM,如 ng-repeat,ng-switch 和 ng-if 等等,调用 $watch 时,一个函数(function)就会添加到相对应域中的$$watchers数组队列中。

当域中的值发生改变时,在$$watchers中所有的watchers函数都会被触发调用。并且当它们的任何一个修改了域中的某个值时,它们会被再次触发执行。

这个过程会一直循环下去直到$$watcher数组队列中不再做任何更改或抛出异常为止。

更外如果任何代码执行$scope.$apply(),都会触发更新周期。

最后一点是 $scope.evalAsync() 会在一个异步调用中执行,并且在当前和下个执行周期中,不会调用其的更新周期。


6. 在设计Angular时应该遵守的一般准则

6.1 大型对象和服务器调用

所以这些都告诉了我们什么?首先我们要尽可能地简化我们的对象。当对象是从服务器返回时,这一点尤为重要。

直接将数据库中的一行转换成对象只是临时性方案,因此不要使用.toJson().

只需要把Angular需要的属性值返回回来。

6.2 监视函数(Watching Functions)

另一个常见的问题是为观察者绑定的函数。不要将任何东西(ng-show, ng-repeat等等)直接绑定到一个函数。不要直接监视任何函数的返回值。该函数会在每个更新周期都执行,可能会降低你应用的速度。

6.3 监视对象(Watching Objects)

同样,Angular提供了第三个可选参数来监视整个对象的改动。将调用$watch的第三个参数设为true。这是一个非常可怕的想法。一个更好的解决办法是依靠服务和对象的引用,监视域之间的变化。

7 列表问题

7.1 长列表(Lists)

尽一些可能避免长列表。ng-repeat会进行了一些很重的DOM操作(更不用说对$$watchers的污染),所以无论是在分页或是在无限滚动中,尽量使用小型数据进行渲染。

7.2 过滤器(Filters)

要尽量避免使用过滤器。他们会在每个更新周期运行两次,每当发生任何改变时运行一次,另一次是收集更深层次的改变时触发。所以不要直接从内部列表中移除对象,使用CSS控制即可。(注* 用添加CSS类名去隐掉他们)

渲染时的 $index 值并不是真正的数组索引值,它豪无价值。但是排好序的数组索引,无法让你遍历到所有列表中的域。

7.3 更新 ng-repeat

当使用ng-repeat时要尽量避免对全局列表的刷新。ng-repeat会产生一个$$hashkey属性和一系统唯一的项。这意味着当你调用 scope.listBoundToNgRepeat = serverFetch() 时会引起对整个列表的重新刷新。会通知执行所有的watchers并触发每一个元素,这是非常消耗性能的。

这里有两种解决方案。一种是维护两个集合,和带有过虑器(filter)的ng-repeat(基本上需要自定义同步逻辑,因此算法更复杂,可维护性更差),另一种方案是使用track by去指定你自己的key(Angular 1.2 开始支持,只需要很少的同步逻辑)。

总之:

scope.arr = mockServerFetch();

会比下面的这种慢

var a = mockServerFetch();
for(var i = scope.arr.length - 1; i >=0; i--){
 var result = _.find(a, function(r){
 return (r && r.trackingKey == scope.arr[i].trackingKey);
 });
 if (!result){
 scope.arr.splice(i, 1);
 } else {
 a.splice(a.indexOf(scope.arr[i]), 1);
 } 
}
_.map(a, function(newItem){
 scope.arr.push(newItem);
});


这种

<div ng-repeat="a in arr track by a.trackingKey">


比上面的慢些

<div ng-repeat="a in arr">

8 渲染问题

另一个引起Angular应用慢的原因是不正确地使用 ng-hide/ ng-show 或 ng-switch。

ng-hide 和 ng-show 简单地对CSS display属性进行切换。这意味着表面上看不见的东西其实还存在于域中, 所有的$$watchers还是会被触发。

ng-if 和 ng-switch实际上从DOM中完全移除了,相应的域也会被移除。性能差异显而易见。

9. 更新周期问题

9.1 绑定

尽量减少你的绑定。在Angular 1.3中这里有一个新的一次绑定语法,{{::scopeValue}}。它只会被域执行一次,并不添加到监视器要监视列表中(watcher array).

9.2 $digest() 和 $apply()

scope.$apply 是一个强大的工具,可以让你向Angular引入外部的值。本质上它会触发Angular的所有事件(例如ng-click)。问题是scope.$apply会从根域$rootScope开始,遍历所有的域链,触发每一个域。

scope.$digest只会执行指定域及其相关的域。两种性能差异不言自明。折中的方案是,不触发任何域等到下一个更新周期再更新。

9.3 $watch()

scope.$watch() 已经在很多场景被讨论过的。基本上scope.$watch是不好的设计的一个标志。如果你非要创建一个观察者。记住对它尽可能地解绑。你可以用$watch的返回函数解绑。

var unbinder = scope.$watch('scopeValueToBeWatcher', function(newVal, oldVal) {
 
});
unbinder(); //这一行将watcher从 $$watchers 中移除。

如果你不能早一点解绑,记住在 $on('$destroy') 中进行解绑。

9.4 $on, $broadcast 和 $emit

像$watch一样,他们都是一些很慢的事件,(有可能)遍历整个作用域。他们可能像GOTO一样,让你的程序无法调试。不过幸运地是像$watch一样,他们都可以在完全不需要的时侯解绑。比如在 $on('$destroy')中。

9.5 $destroy

像前面提到的那样,你应该在$on('$destroy')中解绑你所有的事件侦听器,取消任何$timeout的实例,或者任何其它异步执行的交互。这不仅仅是确保安全。还可以让你的域更快地被垃圾回收。不这样做,他们会一直在后台运行。直接你清空CPU和RAM。

另外,解绑DOM上的事件侦听器也非常重要,不这样做很可能在老式浏览器中引起内存泄露。

9.6 $evalAsync

scope.$evalAsync是一个强大的工具。它可以在当前域中执行,并不触发域的更新。evalAsync可以极大地提高你网页的性能。

10 指令问题

10.1 隔离的域(Isolate Scope)和Transclusion

域隔离和Transclusion是Angular最另人激动的特性,它们是Angular的核心组件。

但是这里也有一些权衡,指令不能直接创建一个替换他们父组元素的域。通过隔离的域或Transclusion我们可以创建一个新的对象去跟踪,添加新的监视器,但是这也会降低应用的性能。在添加之前应该仔细想一想有没有这个必要。


10.2 编绎周期

指令(Directive)的compile函数是在域被附加前操作DOM的完美功能(比如说绑定事件)。一个很重要的性能方面是,传入compile函数的元素和属性以原始html模板呈现。只会被运行一次,接下来会直接使用。另外一个重要的点是prelink和postlink的区别。prelink从外向内执行。postlinks从内向外执行。prelink性能稍好一些,因为它不会产生第二次更新周期。但是这时子元素的DOM还未被创建。


11 DOM事件问题

Angular提供了很多预定义的DOM事件指令。ng-click,ng-mouseenter,ng-mouseleave等等。当调用scole.$apply()时这些事件都会被执行。另外一种更有效率的方式是直接在DOM上面绑定addEventListener,并且尽量使用scope.$digest

优化实例


测试一个应用框架确实是个严峻的挑战,当用户点击日志中任何一个单词,我们就要搜索出相关信息,而页面上可以点击的元素又不计其数;我们想让日志的分页功能也瞬间得到反馈。我们其实已经预先获取到了下一页面的日志数据,所以用户接口的更新就成为了瓶颈,如果拿 AngularJS直接实现日志视图的换页功能需要1.2秒,但是如果仔细优化一下的话就可以降到35毫秒。这些优化被证明在应用的其他部分也是适用的,并且对AngularJS适应性也很好。但我们必须打破一些规则来实现我们的想法,稍后讨论。

一个Github更新的日志demo

An AngularJS log viewer

本质上,日志视图就是一个日志消息的列表,每个字都可以点击。所以把Angular的指令加到DOM元素中,简单实现如下:

<span class='logLine' ng-repeat='line in logLinesToShow'>
 <span class='logToken' ng-repeat='token in line'>{{token | formatToken}} </span>
 
</span>

在单页面应用中有个数千个tokens是很正常的,在早期的测试中,我们发现进入日志的下一页会花费好几秒来执行JavaScript。更糟的是,不相关的操作(比如点击导航下拉框)延迟也不轻,AngularJS的大神说最好把数据元素绑定的数量控制在200以下。对于一个单词就是一个元素的我们来说,早已远超这个数。

分析:

用Chrome的JavaScript profiler工具,我们可以快速定位两个拖延点。首先,每次更新要花大量时间在DOM元素的创建和销毁上,如果新的view有不同的行数,或者任何一行有不同数量单词,Angular的ng-repeat指令就会创建或者销毁DOM元素,这个代价太大了。

其次,每一个单词都有自己的change watcher,AngularJS会watch这些单词,一旦鼠标点击就会触发,这个是影响不相关操作(下拉菜单导航)延迟的罪魁祸首。

优化#1:缓存DOM elements

我们创建了一个ng-repeat指令的变体,在我们的版本中,如果绑定数据的数量减少了,超出的DOM元素会隐藏而不是销毁,如果元素的数量过会儿有增加了,我们会重用这些缓存的元素。

优化#2:Aggregate watchers

用来调用change watchers的所有时间大部分都浪费了,在我们的应用中,特定单词上的数据绑定都是永远不会改变的除非整个日志消息变化,为了达成这一点,我们创建了一个指令”hides“隐藏掉了子元素的change watchers,只有等特定父元素表达式修改的时候才会调用他们。就这样,我们避免了在每一次鼠标点击或者其他微小的修改而导致的全盘change watchers(为了实现这个想法,我们稍微修改了AngularJS的抽象层,我们稍后再细说)。

优化#3:推迟元素创建

前面说了,我们为日志里的每一个单词单独创建了DOM,我们可以利用每一行的单个DOM元素得到相同的视觉呈现;其他元素都是为响应鼠标点操作而创建的,因此,我们决定推迟这部分创建,只有当鼠标移动到某行的时候我们再创建他。

为了实现这个,我们为每一行创建了两个版本,一个就是简单的文本元素来显示完整的日志信息,另外一行就是个占位符,用来显示最终为每一个单词填充后的效果。这个占位符开始是隐藏的,当鼠标移动到那一行的时候才会显示,而简单文本那一行这个时候就隐藏掉。下面会讲到,显示占位符是如何填充单词元素的。

优化#4:避开对隐藏元素的监视

我们创建了另外一个指令,用来阻止对隐藏元素的监视,这个指令支持优化#1,相较于原数据,我们多了更多的隐藏DOM节点,所以必须消除对多出来的DOM节点的监视。这也支持优化#3,让推迟单词节点的创建更加容易。因为直到这行数据的tokenized版本出现我们才会创建他 。

下面的代码就是所有的优化后的样子,我们自定义的指令是粗体显示。

<span class='logLine' sly-repeat='line in logLinesToShow' sly-evaluate-only-when='logLines'>
 <div ng-mouseenter=”mouseHasEntered = true”>
  <span ng-show='!mouseHasEntered'>{{logLine | formatLine }} </span>
  <div ng-show='mouseHasEntered' sly-prevent-evaluation-when-hidden>
   <span class='logToken' sly-repeat='tokens in line'>{{token | formatToken }}</span>
  </div>
 </div>
 
</span>

Sly-repeat 是ng-repeat的变体,用来隐藏多出来的DOM元素而不是销毁他们,sly-evaluate-only-when阻止内部change watchers除非“logLines”变量修改,sly-prevent-evaluation-when-hidden主要负责当鼠标移动到指定行的上面的时候,隐藏的div才显示。

这里展示出了AngularJS对于封装和分离的控制力,我们做了复杂的优化但是并没有影响模板的结构(这里展示的代码并不是真正产品里的代码,但是他展示了所有的要点)。

结果:

我们来看一下效果,我们添加了一些代码来衡量,从鼠标点击开始,一直到Angular's $digest循环结束(意味着更新DOM结束)。

我们衡量点击”下一页“按钮的性能是通过Tomcat日志,环境用的是MacBook Pro上的Chrome,结果见下表(每个数据都是10次测试的平均值):

数据已经缓存 从服务器获取数据
简单实现 1190 ms 1300 ms
优化后 35 ms 201 ms

这些数据不包括浏览器用在DOM布局和重绘(JavaScript执行完成后)的时间,每次大概30毫秒。尽管如此,效果也显而易见;下一页的响应时间从1200毫秒骤降至35毫秒(如果算上渲染是65毫秒)。

“从服务器获取数据”里的数据包括了我们使用AJAX从后端获取log数据的时间。这个跟点击下一页按钮不同,因为我们预取下一页的log数据,但是或许适用于其他的UI响应。即使这样,优化后的程序也可以做到实时更新。

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