代码改变世界

Angular移除不必要的$watch之性能优化

2015-11-12 08:25 by 破狼, ... 阅读, ... 评论, 收藏, 编辑

Angular-apply-and-浏览器-event-loop

双向绑定是Angular的核心概念之一,它给我们带来了思维方式的转变:不再是DOM驱动,而是以Model为核心,在View中写上声明式标签。然后,Angular就会在后台默默的同步View的变化到Model,并将Model的变化更新到View。

双向绑定带来了很大的好处,但是它需要在后台保持一只“眼睛”,随时观察所有绑定值的改变,这就是Angular 1.x中“性能杀手”的“脏检查机制”($digest)。可以推论:如果有太多“眼睛”,就会产生性能问题。在讨论优化Angular的性能之前,笔者希望先讲解下Angular的双向绑定和watchers函数。

双向绑定和watchers函数

为了能够实现双向绑定,Angular使用了$watch API来监控$scope上的Model的改变。Angular应用在编译模板的时候,会收集模板上的声明式标签 —— 指令或绑定表达式,并链接(link)它们。这个过程中,指令或绑定表达式会注册自己的监控函数,这就是我们所说的watchers函数。

下面以我们常见的Angular表达式({{}})为例。

HTML:

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<body ng-app="com.ngnice.app" ng-controller="DemoController as demo">
    <div>hello : {{demo.count}}</div>
    <button type="button" ng-click="demo.increase ();">increase ++</button>
</body>

JavaScript:

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angular.module('com.ngnice.app')
.controller('DemoController', [function() {
  var vm = this;
  vm.count = 0;
  vm.increase = function() {
    vm.count++;
  };
  return vm;
}]);

这是一个自增长计数器的例子,在上面的代码我们用了Angular表达式({{}})。表达式为了能在Model的值改变的时候你能及时更新View,它会在其所在的$scope(本例中为DemoController)中注册上面提到的watchers函数,监控count属性的变化,以便及时更新View。

上例中在每次点击button的时候,count计数器将会加1,然后count的变化会通过Angular的$digest过程同步到View之上。在这里它是一个单向的更新,从Model到View的更新。如果处理一个带有ngModel指令的input交互控件,则在View上的每次输入都会被及时更新到Model之上,这里则是反向的更新,从View到Model的更新。

Model数据能被更新到View是因为在背后默默工作的$digest循环(“脏检查机制”)被触发了。它会执行当前scope以及其所有子scope上注册的watchers函数,检测是否发生变化,如果变了就执行相应的处理函数,直到Model稳定了。如果这个过程中发生过变化,浏览器就会重新渲染受到影响的DOM来体现Model的变化。

在Angular表达式({{}})背后的源码如下:

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function collectDirectives(node, directives, attrs, maxPriority, ignoreDirective) {
  var nodeType = node.nodeType,
    attrsMap = attrs.$attr,
    match,
    className;
  switch (nodeType) {
    case 1:
      /* Element */
      ...
      break;
    case 3:
      /* Text Node */
      addTextInterpolateDirective(directives, node.nodeValue);
      break;
    case 8:
      /* Comment */
      ...
      break;
  }
  directives.sort(byPriority);
  return directives;
}
function addTextInterpolateDirective(directives, text) {
  var interpolateFn = $interpolate(text, true);
  if (interpolateFn) {
    directives.push({
      priority: 0,
      compile: function textInterpolateCompileFn(templateNode) {
        // when transcluding a template that has bindings in the root
        // then we don't have a parent and should do this in the linkFn
        var parent = templateNode.parent(),
          hasCompileParent = parent.length;
        if (hasCompileParent) safeAddClass(templateNode.parent(), 'ng-binding');
        return function textInterpolateLinkFn(scope, node) {
          var parent = node.parent(),
            bindings = parent.data('$binding') || [];
          bindings.push(interpolateFn);
          parent.data('$binding', bindings);
          if (!hasCompileParent) safeAddClass(parent, 'ng-binding');
          scope.$watch(interpolateFn, function interpolateFnWatchAction(value) {
            node[0].nodeValue = value;
          });
        };
      }
    });
  }
}

Angular会在compile阶段收集View模板上的所有Directive。Angular表达式会被解析成一种特殊的指令:addTextInterpolateDirective。到了link阶段,就会利用scope.$watch的API注册我们在上面提到的watchers函数:它的求值函数为$interpolate对绑定表达式进行编译的结果,监听函数则是用新的表达式计算值去修改DOM Node的nodeValue。可见,在View中的Angular表达式,也会成为Angular在$digest循环中watchers的一员。

在上面代码中,还有一部分是为了给调试器用的。它会在Angular表达式所属的DOM节点加上名为‘ng-binding’的调试类。类似的调试类还有‘ng-scope’,‘ng-isolate-scope’等。在Angular 1.3中我们可以使用compileProvider服务来关闭这些调试信息。

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app.config(['$compileProvider', function ($compileProvider) {
  // disable debug info
  $compileProvider.debugInfoEnabled(false);
}]);

其它指令中的watchers函数

不仅Angular的表达式会使用$scope.$watch API添加watchers,Angular内置的大部分指令也一样,下面再举几个常用的Angular指令。

ngBind:它和Angular表达式很类似,都是绑定特定表达式的值到DOM的内容,并保持与scope的同步。不同之处在于它需要一个HTML节点并以attribute属性的方式标记。简单来说,我们可以认为Angular表达式就是ngBind的特定语法糖。当然,还是有一点区别的,详情参见“使用技巧”一章的“防止Angular表达式闪烁”。

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var ngBindDirective = ngDirective({
  compile: function(templateElement) {
    templateElement.addClass('ng-binding');
    return function (scope, element, attr) {
      element.data('$binding', attr.ngBind);
      scope.$watch(attr.ngBind, function ngBindWatchAction(value) {
        // We are purposefully using == here rather than === because we want to
        // catch when value is "null or undefined"
        // jshint -W041
        element.text(value == undefined ? '' : value);
      });
    };
  }
});

这里也能清晰的看见$scope.$watch的注册代码:监控器函数为ngBind attribute的值,处理函数则是用表达式计算的结果去更新DOM的文本内容。

ngShow/ngHide: 它们是根据表达式的计算结果来控制显示/隐藏DOM节点的指令。

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var ngShowDirective = ['$animate', function($animate) {
  return function(scope, element, attr) {
    scope.$watch(attr.ngShow, function ngShowWatchAction(value){
      $animate[toBoolean(value) ? 'removeClass' : 'addClass'](element, 'ng-hide');
    });
  };
}];
var ngHideDirective = ['$animate', function($animate) {
  return function(scope, element, attr) {
    scope.$watch(attr.ngHide, function ngHideWatchAction(value){
      $animate[toBoolean(value) ? 'addClass' : 'removeClass'](element, 'ng-hide');
    });
  };
}];

这里同样用到了$scope.$watch,到这里你应该明白$watch的工作原理了吧。

再回到上面所提的性能问题。

如果有太多watcher函数,那么在每次$digest循环时,肯定会慢下来,这就是Angular“脏检查机制”的性能瓶颈。在社区中有个经验值,如果超过2000个watcher,就可能感觉到明显的卡顿,特别在IE8这种老旧浏览器上。有什么好的方案可以解决这个问题呢?最明显的方案是:减少$watch,尽量移除不必要的$watch。

慎用$watch和及时销毁

要想提高Angular页面的性能,那么在开发的时候,就应该尽量减少显式使用$scope.$watch函数,Angular中的很多内置指令已经能够满足大部分的业务需求。特别是如果能复用ng内置的UI事件指令(ngChange、ngClick…),那么就不要添加额外的$watch。

对于不再使用的$watch,最好尽早将其释放,$scope.$watch函数的返回值就是用于释放这个watcher的函数,如下面的单次绑定实现(one-time):

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angular.module('com.ngnice.app')
.controller('DemoController', ['$scope', function($scope) {
  var vm = this;
  vm.count = 0;
  var textWatch = $scope.$watch('demo.updated', function(newVal, oldVal) {
    if (newVal !== oldVal) {
      vm.count++;
      textWatch();
    }
  });
  return vm;
}]);

one-time绑定

在开发中,经常会遇见很多有静态数据构成的页面,如静态的商品、订单等的显示,他们在绑定了数据之后,在当前页面中Model不再会被改变。试想我们需要显示一个培训会议Sessions的预约的展示页面,常规的Angular方案应该是用ng-repeat来产生这个列表:

HTML:

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<ul>
    <li ng-repeat="session in sessions">
        <div class="info">
            {{session.name}} - {{session.room}} - {{session.hour}} - {{session.speaker}}
        </div>
        <div class="likes">
            {{session.likes}} likes!
            <button ng-click="likeSession(session)">Like it!</button>
        </div>
    </li>
</ul>

JavaScript:

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angular.module('com.ngnice.app')
.controller('MainController', ['$scope', function($scope) {
  $scope.sessions = [...];
  $scope.likeSession = function(session) {
    // Like the session
  }
}]);

用Angular来实现这个需求,很简单。但假设这是一个大型的预约,一天会有300个Sessions。那么这里会产生多少个$watch?这里每个Session有5个绑定,额外的ng-repeat一个。这将会产生1501个$watch。这有什么问题?每次用户“like”一个Session,Angular将会去检查name、room等5个属性是不是被改变了。

问题在于,除了例外的“like”外,所有数据都是静态数据,这是不是有点浪费资源?我们知道数据Model是没有被改变的,既然这样为什么让Angular要去检查是否改变呢?

因此,这里的$watch是没必要的,它的存在反而会影响$digest的性能,但这个$watch在第一次却是必要的,它在初始化时用静态信息填充了我们的DOM结构。对于这类情况,如果能换为单次(one-time)绑定应该是最佳的方案。

Angular中的单次(one-time)绑定是在1.3后引入的。在官方文档描述如下:

单次表达式在第一次$digest完成后,将不再计算(监测属性的变化)。

1.3中为Angular表达式({{}})引入了新语法,以“::”作为前缀的表达式为one-time绑定。对于上面的例子可以改为:

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<ul>
    <li ng-repeat="session in sessions">
        <div class="info">
            {{::session.name}} - {{::session.room}} - {{::session.hour}} - {{::session.speaker}}
        </div>
        <div class="likes">
            {{session.likes}} likes!
            <button ng-click="likeSession(session)">Like it!</button>
        </div>
    </li>
</ul>

在1.3之前的版本没有提供这个语法,我们应该如何实现one-time绑定呢?在开源社区中有个牛人在我们之前也问了自己这个问题,并创建了一系列指令来实现它:Bindonce https://github.com/Pasvaz/bindonce。用Bindonce实现如下:

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<ul>
    <li bindonce ng-repeat="session in sessions">
        <div class="info">
            <span bo-text="session.name"></span> -
            <span bo-text="session.room"></span> -
            <span bo-text="session.hour"></span> -
            <span bo-text="session.speaker"></span>
        </div>
        <div class="likes">
            {{session.likes}} likes!
            <button ng-click="likeSession(session)">Like it!</button>
        </div>
    </li>
</ul>

为了让示例能够工作,需要引入bindonce库,并依赖pasvaz.bindonce module。

angular.module('com.ngnice.app', ['pasvaz.bindonce']);

并把Angular表达式改成bo-text指令。该指令将会绑定到Model,直到更新DOM,然后自动释放watcher。这样,显示功能仍然工作,但不再使用不必要的$watch。在这里每个Session只有一个$watch绑定,用301个绑定替代了1501个绑定。

恰当的使用bingonce或者1.3的one-time绑定能为应用one程序减少大量不必要$watch绑定,从而提高应用性能。

滚屏加载

另外一种可行的性能解决方案就是滚屏加载,又称”Endless Scrolling,“ “unpagination”,这是用于大量数据集显示的时候,又不想表格分页,所以一般放在页面最底部,当滚动屏幕到达页面底部的时候,就会尝试加载一个序列的数据集,追加在页面底部。在Angular社区有开源组件ngInfiniteScroll http://binarymuse.github.io/ngInfiniteScroll/index.html实现滚屏加载。下面是官方Demo:

HTML:

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<div ng-app='myApp' ng-controller='DemoController'>
  <div infinite-scroll='reddit.nextPage()' infinite-scroll-disabled='reddit.busy' infinite-scroll-distance='1'>
    <div ng-repeat='item in reddit.items'>
      <span class='score'>{{item.score}}</span>
      <span class='title'>
        <a ng-href='{{item.url}}' target='_blank'>{{item.title}}</a>
      </span>
      <small>by {{item.author}} -
        <a ng-href='http://reddit.com{{item.permalink}}' target='_blank'>{{item.num_comments}} comments</a>
      </small>
      <div style='clear: both;'></div>
    </div>
    <div ng-show='reddit.busy'>Loading data...</div>
  </div>
</div>

JavaScript:

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var myApp = angular.module('myApp', ['infinite-scroll']);
myApp.controller('DemoController', ['$scope', 'Reddit', function($scope, Reddit) {
  $scope.reddit = new Reddit();
}]);
// Reddit constructor function to encapsulate HTTP and pagination logic
myApp.factory('Reddit', ['$http', function($http) {
  var Reddit = function() {
    this.items = [];
    this.busy = false;
    this.after = '';
  };
  Reddit.prototype.nextPage = function() {
    if (this.busy) return;
    this.busy = true;
    var url = 'http://api.reddit.com/hot?after=' + this.after + '&jsonp=JSON_CALLBACK';
    $http.jsonp(url).success(function(data) {
      var items = data.data.children;
      for (var i = 0; i < items.length; i++) {
        this.items.push(items[i].data);
      }
      this.after = 't3_' + this.items[this.items.length - 1].id;
      this.busy = false;
    }.bind(this));
  };
  return Reddit;
}]);

可以在这里http://binarymuse.github.io/ngInfiniteScroll/demo_async.html访问这个例子。其使用很简单,有兴趣的读者可以查看其官方文档。

其它

当然对于性能解决方案还有很多,如客户端分页、服务端分页、将其它更高效的jQuery插件或者React插件合理的封装为ng组件等。当封装第三方非Angular组件时需要注意scope和model的同步,以及合理的触发$apply更新View。另外在开源社区中也有ngReact可以简化将React组件应用到Angular应用中,在这里可以了解到关于它的更多信息:https://github.com/davidchang/ngReact

此刻,我猜你一定正是心中默默嘀咕着:Angular“脏检查机制”一定很慢,一个“肮脏”的家伙。但这是错误的。它其实很快,Angular团队为此专门做了很多优化。相反,在大多数场景下,Angular这种特殊的watcher机制,反而比很多基于JavaScript模板引擎(underscore、Handlebars等)更快。因为Angular并不需要通过大范围的DOM操作来更新View,它的每次更新区域更小,DOM操作更少。而DOM操作的代价远远高过JavaScript运算,在有些浏览器中,修改DOM的速度甚至会比纯粹的JavaScript运算慢很多倍!

而且,在现实场景中,我们的大多数页面都不会超出2000个watcher,因为过多的信息对使用者是非常不友好的,好的设计师都懂得限制单页信息的展示量。但是如果超过了2000个watcher,那么你就得仔细思考如何去优化它了,应该优先选择从用户体验方面改进,实在不行就用上面提到的技巧来优化你的应用程序。

最后,随着Angular 2.0框架对“脏检查机制”的改进,运行性能将会得到显著地提高,特别是针对Mobile开发的ionic这类框架,将直接受益。