MK
摩柯社区 - 一个极简的技术知识社区
AI 面试

JavaScript算术表达式的性能测试

2022-02-123.9k 阅读

JavaScript算术表达式性能测试的重要性

在JavaScript编程中，算术表达式无处不在。无论是简单的数学运算，如1 + 2，还是复杂的科学计算、游戏逻辑中的数值处理，算术表达式都扮演着关键角色。理解不同算术表达式写法的性能差异，对于优化代码、提升应用程序的响应速度至关重要。尤其在性能敏感的场景下，如实时数据处理、动画渲染等，哪怕是微小的性能提升，经过多次运算累积，也可能带来显著的效果。

例如，在一个实时更新的金融交易模拟程序中，频繁进行价格计算、盈利亏损计算等操作。如果使用性能较差的算术表达式写法，可能导致界面卡顿，影响用户体验。而通过优化算术表达式，提升性能，可以让程序更加流畅地运行。

影响JavaScript算术表达式性能的因素

操作符类型

JavaScript中的算术操作符包括基本的加（+）、减（-）、乘（*）、除（/）、取模（%），以及自增（++）、自减（--）等。不同操作符在执行时的性能存在差异。

  • 基本算术操作符：加、减、乘、除操作符在现代JavaScript引擎中通常有较好的性能表现，因为它们是最常用的数学运算，引擎针对这些操作进行了大量优化。例如：
let a = 5;
let b = 3;
let result1 = a + b;
let result2 = a - b;
let result3 = a * b;
let result4 = a / b;

在上述代码中，这些基本操作符的执行速度都比较快。

  • 取模操作符：取模操作（%）相对来说可能会稍慢一些，因为它的运算逻辑相对复杂。它需要计算一个数除以另一个数的余数。例如：
let num1 = 10;
let num2 = 3;
let remainder = num1 % num2;

这里计算10 % 3，需要进行除法运算并获取余数，相比简单的加、减、乘、除，性能会略逊一筹。

  • 自增和自减操作符：自增（++）和自减（--）操作符又分为前置和后置两种形式。前置自增/自减（如++a、--a）会先对变量进行加/减1操作，然后返回新的值；后置自增/自减（如a++、a--）会先返回变量原来的值，然后再进行加/减1操作。在性能上，前置操作符通常比后置操作符略快，因为后置操作符需要额外创建一个临时变量来保存原来的值。例如：
let num3 = 5;
// 前置自增
let preIncrement = ++num3;
// 后置自增
let postIncrement = num3++;

在频繁使用自增/自减操作的循环中，这种性能差异可能会累积并对整体性能产生影响。

数据类型

JavaScript是一种动态类型语言，变量的数据类型在运行时确定。算术表达式中涉及的数据类型会显著影响性能。

  • 数值类型：当操作数都是基本数值类型（如number）时，算术运算的性能通常较好。例如：
let num4 = 10.5;
let num5 = 3.2;
let sum = num4 + num5;

现代JavaScript引擎对number类型的运算有高度优化。

  • 非数值类型转换：如果操作数中有非数值类型，JavaScript会进行隐式类型转换，这可能会带来性能开销。例如，当一个字符串与一个数字相加时：
let str = '5';
let num6 = 3;
let result5 = str + num6;

这里字符串'5'会被隐式转换为数字5，然后再进行加法运算。这种隐式类型转换需要额外的计算资源，相比直接的数值运算会慢一些。如果在循环中频繁进行这种操作，性能影响会更加明显。

  • 大整数类型（BigInt）：ES2020引入了BigInt类型，用于处理大于Number.MAX_SAFE_INTEGER的整数。虽然BigInt提供了高精度的整数运算能力，但由于其实现机制与number类型不同，算术运算的性能通常比number类型低。例如：
let bigInt1 = BigInt(123456789012345678901234567890);
let bigInt2 = BigInt(987654321098765432109876543210);
let bigSum = bigInt1 + bigInt2;

与普通的number类型运算相比，BigInt的运算会更慢，因为它需要更多的内存来存储和处理大整数。

表达式复杂度

算术表达式的复杂度也会影响性能。简单的表达式执行速度快，而复杂的嵌套表达式可能需要更多的计算资源。

  • 简单表达式：像a + b这样的简单表达式，JavaScript引擎可以快速计算。例如：
let x = 2;
let y = 3;
let simpleResult = x + y;
  • 复杂嵌套表达式：当表达式中包含多层括号、多个操作符嵌套时，性能会受到影响。例如：
let m = 2;
let n = 3;
let p = 4;
let complexResult = ((m * n + p) / (m - n)) % p;

这里的表达式需要按照运算符优先级逐步计算，涉及多个中间结果的存储和计算，相比简单表达式，性能会有所下降。

性能测试方法

使用console.time() 和 console.timeEnd()

JavaScript提供了console.time()和console.timeEnd()方法来测量代码块的执行时间。这种方法简单直观，适合初步的性能测试。例如，测试简单加法运算的性能：

console.time('additionTest');
for (let i = 0; i < 1000000; i++) {
    let a = 5;
    let b = 3;
    let result = a + b;
}
console.timeEnd('additionTest');

在上述代码中，console.time('additionTest')开始计时，循环100万次执行加法运算后，console.timeEnd('additionTest')结束计时并输出执行时间。这种方法可以快速比较不同算术表达式的执行时间，但它的精度有限，而且结果可能会受到环境因素的影响。

使用Benchmark.js

Benchmark.js是一个专门用于JavaScript性能测试的库，它提供了更精确和全面的性能测试功能。首先需要通过npm安装Benchmark.js：

npm install benchmark

然后可以使用以下代码进行性能测试：

const Benchmark = require('benchmark');
let suite = new Benchmark.Suite;

// 添加测试用例
suite
.add('前置自增', function() {
    let num = 0;
    for (let i = 0; i < 1000; i++) {
        ++num;
    }
})
.add('后置自增', function() {
    let num = 0;
    for (let i = 0; i < 1000; i++) {
        num++;
    }
})
// 添加监听事件
.on('cycle', function(event) {
    console.log(String(event.target));
})
.on('complete', function() {
    console.log('最快的是'+ this.filter('fastest').map('name'));
})
// 运行测试
.run({ 'async': true });

在上述代码中，通过Benchmark.Suite创建了一个测试套件，添加了两个测试用例（前置自增和后置自增）。on('cycle')事件在每个测试用例完成一次循环后触发，输出测试结果。on('complete')事件在所有测试用例完成后触发，输出最快的测试用例名称。使用Benchmark.js可以更准确地比较不同算术表达式的性能，并且可以在不同环境下进行测试，以获得更可靠的结果。

常见算术表达式性能测试实例

基本算术操作符性能对比

使用Benchmark.js对比加、减、乘、除操作符的性能：

const Benchmark = require('benchmark');
let suite = new Benchmark.Suite;

suite
.add('加法运算', function() {
    let a = 5;
    let b = 3;
    let result = a + b;
})
.add('减法运算', function() {
    let a = 5;
    let b = 3;
    let result = a - b;
})
.add('乘法运算', function() {
    let a = 5;
    let b = 3;
    let result = a * b;
})
.add('除法运算', function() {
    let a = 5;
    let b = 3;
    let result = a / b;
})
.on('cycle', function(event) {
    console.log(String(event.target));
})
.on('complete', function() {
    console.log('最快的是'+ this.filter('fastest').map('name'));
})
.run({ 'async': true });

通过多次运行这个测试，会发现加、减、乘、除操作符的性能差异并不明显，在现代JavaScript引擎的高度优化下，它们都能快速执行。这是因为这些操作非常基础和常用，引擎在底层进行了大量的优化工作，以确保高效执行。

自增/自减操作符性能对比

如前文所述，前置自增/自减和后置自增/自减在性能上存在差异。使用Benchmark.js进行测试：

const Benchmark = require('benchmark');
let suite = new Benchmark.Suite;

suite
.add('前置自增', function() {
    let num = 0;
    for (let i = 0; i < 1000000; i++) {
        ++num;
    }
})
.add('后置自增', function() {
    let num = 0;
    for (let i = 0; i < 1000000; i++) {
        num++;
    }
})
.on('cycle', function(event) {
    console.log(String(event.target));
})
.on('complete', function() {
    console.log('最快的是'+ this.filter('fastest').map('name'));
})
.run({ 'async': true });

测试结果通常会显示前置自增操作比后置自增操作略快。这是因为后置自增操作需要额外创建临时变量来保存原来的值，而前置自增直接在变量上进行操作并返回新值，减少了一次赋值操作，从而提高了性能。在循环中频繁使用自增操作时，这种性能差异会更加明显。

不同数据类型运算性能对比

测试数值类型与包含隐式类型转换的运算性能差异：

const Benchmark = require('benchmark');
let suite = new Benchmark.Suite;

suite
.add('数值类型加法', function() {
    let num1 = 5;
    let num2 = 3;
    let result = num1 + num2;
})
.add('字符串与数值加法', function() {
    let str = '5';
    let num3 = 3;
    let result = str + num3;
})
.on('cycle', function(event) {
    console.log(String(event.target));
})
.on('complete', function() {
    console.log('最快的是'+ this.filter('fastest').map('name'));
})
.run({ 'async': true });

测试结果会表明，数值类型直接相加的性能明显优于字符串与数值相加。这是因为字符串与数值相加时，字符串需要先进行隐式类型转换为数值，这一转换过程消耗了额外的性能。在实际编程中，如果可以避免这种隐式类型转换，应尽量避免，以提升代码性能。

复杂表达式与简单表达式性能对比

对比简单表达式和复杂嵌套表达式的性能：

const Benchmark = require('benchmark');
let suite = new Benchmark.Suite;

suite
.add('简单表达式', function() {
    let a = 2;
    let b = 3;
    let result = a + b;
})
.add('复杂表达式', function() {
    let m = 2;
    let n = 3;
    let p = 4;
    let result = ((m * n + p) / (m - n)) % p;
})
.on('cycle', function(event) {
    console.log(String(event.target));
})
.on('complete', function() {
    console.log('最快的是'+ this.filter('fastest').map('name'));
})
.run({ 'async': true });

通常情况下，简单表达式的执行速度会比复杂表达式快很多。复杂表达式由于包含多层括号和多个操作符的嵌套，需要按照运算符优先级逐步计算，涉及更多的中间结果存储和计算，因此性能会受到较大影响。在编写代码时，应尽量简化复杂的算术表达式，以提高性能。

优化JavaScript算术表达式性能的建议

避免不必要的类型转换

如前文所述，隐式类型转换会带来性能开销。尽量确保算术表达式中的操作数类型一致，避免不必要的类型转换。例如，在进行加法运算时，如果可能，将字符串先显式转换为数值，而不是依赖隐式转换：

// 避免隐式类型转换
let str = '5';
let num = 3;
let result1 = Number(str) + num;

// 不推荐的隐式类型转换
let result2 = str + num;

通过Number(str)将字符串显式转换为数值，这样可以减少引擎在运行时进行隐式类型转换的开销，提升性能。

选择合适的自增/自减形式

在循环中使用自增/自减操作时，优先使用前置自增/自减形式，因为它的性能略优于后置形式。例如：

// 推荐使用前置自增
for (let i = 0; i < 1000; ++i) {
    // 循环体代码
}

// 不推荐使用后置自增
for (let i = 0; i < 1000; i++) {
    // 循环体代码
}

在循环次数较多的情况下，这种性能优化会更加显著。

简化复杂表达式

尽量简化复杂的算术表达式，将复杂的计算拆分成多个简单的步骤。这样不仅可以提高代码的可读性，还能提升性能。例如：

// 复杂表达式
let m = 2;
let n = 3;
let p = 4;
let complexResult = ((m * n + p) / (m - n)) % p;

// 简化后的表达式
let step1 = m * n + p;
let step2 = m - n;
let step3 = step1 / step2;
let simpleResult = step3 % p;

通过将复杂表达式拆分成多个简单步骤，每个步骤的计算相对简单，引擎可以更高效地执行，从而提升整体性能。

缓存中间结果

在复杂的算术表达式中，如果某些中间结果会被多次使用，可以将其缓存起来，避免重复计算。例如：

let a = 5;
let b = 3;
let c = 2;

// 未缓存中间结果
let result1 = (a + b) * (a + b) / c;

// 缓存中间结果
let sum = a + b;
let result2 = sum * sum / c;

在上述代码中，a + b的结果在未缓存时需要计算两次，而缓存后只需要计算一次，减少了计算量，提升了性能。

不同JavaScript引擎下的算术表达式性能差异

JavaScript有多种引擎，如V8（Chrome和Node.js使用）、SpiderMonkey（Firefox使用）、JavaScriptCore（Safari使用）等。不同引擎对算术表达式的性能优化程度可能存在差异。

V8引擎

V8引擎以其高性能而闻名，它对基本的算术操作符进行了深度优化。在处理数值类型的算术运算时，V8能够利用现代CPU的指令集，快速执行运算。例如，对于简单的加、减、乘、除操作，V8引擎可以在极短的时间内完成大量计算。在处理自增/自减操作时，V8也能很好地优化前置和后置形式的性能差异，使得前置自增/自减操作的性能优势更加明显。

对于涉及类型转换的算术表达式，V8引擎也在不断优化其类型转换算法，尽量减少类型转换带来的性能开销。然而，由于类型转换本身的复杂性，相比直接的数值运算，仍然会有一定的性能损失。

SpiderMonkey引擎

SpiderMonkey引擎同样对算术表达式进行了优化，但在某些方面与V8略有不同。在处理复杂的嵌套算术表达式时，SpiderMonkey的优化策略可能会导致其性能与V8有所差异。例如，在多层括号和多个操作符嵌套的情况下，SpiderMonkey可能需要更多的时间来解析和计算表达式。

对于自增/自减操作，SpiderMonkey也支持前置和后置形式的性能差异，但在不同版本中，这种差异的表现可能会有所变化。在数据类型处理方面，SpiderMonkey在处理隐式类型转换时，其算法和V8有所不同，这也可能导致在包含类型转换的算术表达式性能上存在差异。

JavaScriptCore引擎

JavaScriptCore引擎在算术表达式性能方面也有自己的特点。它在处理简单算术操作符时，性能表现良好，与V8和SpiderMonkey相当。然而，在处理大整数（BigInt）类型的算术运算时，JavaScriptCore的性能优化可能不如V8。这是因为不同引擎对BigInt类型的实现和优化程度不同。

在涉及复杂表达式和类型转换的场景下，JavaScriptCore的性能表现也会因具体的表达式结构和数据类型而异。例如，在处理字符串与数值相加的隐式类型转换时，JavaScriptCore的性能可能与V8和SpiderMonkey有所不同。

综上所述，虽然不同JavaScript引擎都对算术表达式进行了优化，但由于各自的实现和优化策略不同，在实际应用中，同一算术表达式在不同引擎下可能会有不同的性能表现。在进行性能敏感的开发时，需要考虑目标应用所运行的引擎环境，进行针对性的性能测试和优化。

总结

通过对JavaScript算术表达式性能的深入探讨，我们了解到操作符类型、数据类型、表达式复杂度等因素都会影响其性能。通过合理选择操作符、避免不必要的类型转换、简化复杂表达式等优化方法，可以有效提升算术表达式的执行效率。同时，不同JavaScript引擎对算术表达式的性能优化存在差异，在实际开发中需要根据目标环境进行测试和优化。在性能敏感的场景下，对算术表达式性能的优化能够显著提升应用程序的整体性能和用户体验。无论是前端开发中的动画效果、数据可视化，还是后端开发中的数值计算、数据分析，都可以从对算术表达式性能的优化中受益。希望开发者在编写JavaScript代码时，能够重视算术表达式的性能问题，编写出更高效、更优质的代码。