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Tree-Shaking性能优化实践 - 原理篇


一. 什么是Tree-shaking

先来看一下Tree-shaking原始的本意



上图形象的解释了Tree-shaking 的本意,本文所说的前端中的tree-shaking可以理解为通过工具"摇"我们的JS文件,将其中用不到的代码"摇"掉,是一个性能优化的范畴。具体来说,在 webpack 项目中,有一个入口文件,相当于一棵树的主干,入口文件有很多依赖的模块,相当于树枝。实际情况中,虽然依赖了某个模块,但其实只使用其中的某些功能。通过 tree-shaking,将没有使用的模块摇掉,这样来达到删除无用代码的目的。


Tree-shaking 较早由 Rich_Harris 的 rollup 实现,后来,webpack2 也增加了tree-shaking 的功能。其实在更早,google closure compiler 也做过类似的事情。三个工具的效果和使用各不相同,使用方法可以通过官网文档去了解,三者的效果对比,后文会详细介绍。


二. tree-shaking的原理

Tree-shaking的本质是消除无用的js代码。无用代码消除在广泛存在于传统的编程语言编译器中,编译器可以判断出某些代码根本不影响输出,然后消除这些代码,这个称之为DCE(dead code elimination)。

Tree-shaking 是 DCE 的一种新的实现,Javascript同传统的编程语言不同的是,javascript绝大多数情况需要通过网络进行加载,然后执行,加载的文件大小越小,整体执行时间更短,所以去除无用代码以减少文件体积,对javascript来说更有意义。

Tree-shaking 和传统的 DCE的方法又不太一样,传统的DCE 消灭不可能执行的代码,而Tree-shaking 更关注宇消除没有用到的代码。下面详细介绍一下DCE和Tree-shaking。


(1)先来看一下DCE消除大法


Dead Code 一般具有以下几个特征

•代码不会被执行,不可到达

•代码执行的结果不会被用到

•代码只会影响死变量(只写不读)


下面红框标示的代码就属于死码,满足以上特征

图4

传统编译型的语言中,都是由编译器将Dead Code从AST(抽象语法树)中删除,那javascript中是由谁做DCE呢?

首先肯定不是浏览器做DCE,因为当我们的代码送到浏览器,那还谈什么消除无法执行的代码来优化呢,所以肯定是送到浏览器之前的步骤进行优化。

其实也不是上面提到的三个工具,rollup,webpack,cc做的,而是著名的代码压缩优化工具uglify,uglify完成了javascript的DCE,下面通过一个实验来验证一下。


以下所有的示例代码都能在我们的github中找到,欢迎戳❤

github.com/lin-xi/tree…


分别用rollup和webpack将图4中的代码进行打包

图5

中间是rollup打包的结果,右边是webpack打包的结果

可以发现,rollup将无用的代码foo函数和unused函数消除了,但是仍然保留了不会执行到的代码,而webpack完整的保留了所有的无用代码和不会执行到的代码。


分别用rollup + uglify和 webpack + uglify 将图4中的代码进行打包

图6

中间是配置文件,右侧是结果

可以看到右侧最终打包结果中都去除了无法执行到的代码,结果符合我们的预期。


(2) 再来看一下Tree-shaking消除大法

前面提到了tree-shaking更关注于无用模块的消除,消除那些引用了但并没有被使用的模块。

先思考一个问题,为什么tree-shaking是最近几年流行起来了?而前端模块化概念已经有很多年历史了,其实tree-shaking的消除原理是依赖于ES6的模块特性。

ES6 module 特点:

  • 只能作为模块顶层的语句出现
  • import 的模块名只能是字符串常量
  • import binding 是 immutable的

ES6模块依赖关系是确定的,和运行时的状态无关,可以进行可靠的静态分析,这就是tree-shaking的基础。

所谓静态分析就是不执行代码,从字面量上对代码进行分析,ES6之前的模块化,比如我们可以动态require一个模块,只有执行后才知道引用的什么模块,这个就不能通过静态分析去做优化。

这是 ES6 modules 在设计时的一个重要考量,也是为什么没有直接采用 CommonJS,正是基于这个基础上,才使得 tree-shaking 成为可能,这也是为什么 rollup 和 webpack 2 都要用 ES6 module syntax 才能 tree-shaking。


我们还是通过例子来详细了解一下

面向过程编程函数和面向对象编程是javascript最常用的编程模式和代码组织方式,从这两个方面来实验:

  • 函数消除实验
  • 类消除实验

先看下函数消除实验

utils中get方法没有被使用到,我们期望的是get方法最终被消除。

注意,uglify目前不会跨文件去做DCE,所以上面这种情况,uglify是不能优化的。

先看看rollup的打包结果

完全符合预期,最终结果中没有get方法

再看看webpack的结果

也符合预期,最终结果中没有get方法

可以看到rollup打包的结果比webpack更优化

函数消除实验中,rollup和webpack都通过,符合预期


再来看下类消除实验

增加了对menu.js的引用,但其实代码中并没有用到menu的任何方法和变量,所以我们的期望是,最终代码中menu.js里的内容被消除

main.js
menu.js

rollup打包结果

包中竟然包含了menu.js的全部代码

webpack打包结果

包中竟然也包含了menu.js的全部代码

类消除实验中,rollup,webpack 全军覆没,都没有达到预期
what happend?

这跟我们想象的完全不一样啊?为什么呢?无用的类不能消除,这还能叫做tree-shaking吗?我当时一度怀疑自己的demo有问题,后来各种网上搜索,才明白demo没有错。

下面摘取了rollup核心贡献者的的一些回答:

图7
  • rollup只处理函数和顶层的import/export变量,不能把没用到的类的方法消除掉
  • javascript动态语言的特性使得静态分析比较困难
  • 图7下部分的代码就是副作用的一个例子,如果静态分析的时候删除里run或者jump,程序运行时就可能报错,那就本末倒置了,我们的目的是优化,肯定不能影响执行


再举个例子说明下为什么不能消除menu.js,比如下面这个场景

function Menu() {
}

Menu.prototype.show = function() {
}

Array.prototype.unique = function() {
    // 将 array 中的重复元素去除
}

export default Menu;
复制代码

如果删除里menu.js,那对Array的扩展也会被删除,就会影响功能。那也许你会问,难道rollup,webpack不能区分是定义Menu的proptotype 还是定义Array的proptotype吗?当然如果代码写成上面这种形式是可以区分的,如果我写成这样呢?

function Menu() {
}

Menu.prototype.show = function() {
}

var a = 'Arr' + 'ay'
var b
if(a == 'Array') {
    b = Array
} else {
    b = Menu
}

b.prototype.unique = function() {
    // 将 array 中的重复元素去除
}

export default Menu;
复制代码

这种代码,静态分析是分析不了的,就算能静态分析代码,想要正确完全的分析也比较困难。

更多关于副作用的讨论,可以看这个

图标

Tree shaking class methods · Issue #349 · rollup/rollupgithub.com


tree-shaking对函数效果较好

函数的副作用相对较少,顶层函数相对来说更容易分析,加上babel默认都是"use strict"严格模式,减少顶层函数的动态访问的方式,也更容易分析


我们开始说的三个工具,rollup和webpack表现不理想,那closure compiler又如何呢?

将示例中的代码用cc打包后得到的结果如下:

天啊,这不就是我们要的结果吗?完美消除所有无用代码的结果,输出的结果非常性感

closure compiler, tree-shaking的结果完美!

可是不能高兴得太早,能得到这么完美结果是需要条件的,那就是cc的侵入式约束规范。必须在代码里添加这样的代码,看红线框标示的

google定义一整套注解规范Annotating JavaScript for the Closure Compiler,想更多了解的,可以去看下官网。

侵入式这个就让人很不爽,google Closure Compiler是java写的,和我们基于node的各种构建库不可能兼容(不过目前好像已经有nodejs版 Closure Compiler),Closure Compiler使用起来也比较麻烦,所以虽然效果很赞,但比较难以应用到项目中,迁移成本较大。


说了这么多,总结一下:

三大工具的tree-shaking对于无用代码,无用模块的消除,都是有限的,有条件的。closure compiler是最好的,但与我们日常的基于node的开发流很难兼容。

tree-shaking对web意义重大,是一个极致优化的理想世界,是前端进化的又一个终极理想。

理想是美好的,但目前还处在发展阶段,还比较困难,有各个方面的,甚至有目前看来无法解

决的问题,但还是应该相信新技术能带来更好的前端世界。

优化是一种态度,不因小而不为,不因艰而不攻。


知识有限,如果错误,请不惜指正,谢谢


下一篇将继续介绍 Tree-Shaking性能优化实践 - 实践篇

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本文中示例代码都能在我们的github中找到,欢迎戳❤

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lin-xi/treeshakinggithub.com



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