高性能JavaScript 达夫设备

前言

　　在《高性能JavaScript》一书的第四章算法和流程控制中，提到了减少迭代次数加速程序的策略—达夫设备（Duff's device）。达夫设备本身很好理解，但是其效果是否真的像书中所说“如果迭代次数超过1000，那么达夫设备的执行效率将明显提升”？还是随着浏览器性能的逐渐增强，这种以牺牲代码阅读性而获取的性能提升已经微不足道？

达夫设备

　　达夫设备真的很简单，说白了就是“循环体展开”。看如下的代码：

var a = [0, 1, 2, 3, 4];
var sum = 0;
for(var i = 0; i < 5; i++)
  sum += a[i];
console.log(sum);

　　我们将循环体展开来写：

var a = [0, 1, 2, 3, 4];
var sum = 0;
sum += a[0];
sum += a[1];
sum += a[2];
sum += a[3];
sum += a[4];
console.log(sum);

　　因为少作了多次的for循环，很显然这段代码比前者效率略高，而且随着数组长度的增加，少作的for循环将在时间上体现更多的优势。

　　达夫设备这种思想或者说是策略，原来是运用在C语言上的，Jeff Greenberg将它从C语言移植到了JavaScript上，我们可以来看看他写的模板代码：

var iterations = Math.floor(items.length / 8),
  startAt = items.length % 8,
  i = 0;

  do {
    switch(startAt) {
      case 0: process(items[i++]);
      case 7: process(items[i++]);
      case 6: process(items[i++]);
      case 5: process(items[i++]);
      case 4: process(items[i++]);
      case 3: process(items[i++]);
      case 2: process(items[i++]);
      case 1: process(items[i++]);
    }
    startAt = 0;
  } while(--iterations);

　　注意看switch/case语句，因为没有写break，所以除了第一次外，之后的每次迭代实际上会运行8次！Duff's Device背后的基本理念是：每次循环中最多可调用8次process()。循环的迭代次数为总数除以8。由于不是所有数字都能被8整除，变量startAt用来存放余数，便是第一次循环中应调用多少次process()。

　　此算法一个稍快的版本取消了switch语句，将余数处理和主循环分开：

var i = items.length % 8;
while(i) {
  process(items[i--]);
}

i = Math.floor(items.length / 8);

while(i) {
  process(items[i--]);
  process(items[i--]);
  process(items[i--]);
  process(items[i--]);
  process(items[i--]);
  process(items[i--]);
  process(items[i--]);
  process(items[i--]);
}

　　尽管这种方式用两次循环代替了之前的一次循环，但它移除了循环体中的switch语句，速度比原始循环更快。

性能测试

　　接着我们来进行达夫设备的性能测试。如果迭代中的操作复杂的话，会减小达夫设备优化对于时间的影响，所以循环内部我只选取了简单的操作；而且为了方便操作，选取了8的倍数作为数组长度。

var a = [];
var times = 1000;
// init array
for(var i = 1; i <= times; i++)
  a[i] = i;

// ordinary way
console.time('1');
var sum = 0;
for(var i = 1; i <= times; i++)
  sum += 1 / a[i];
console.log(sum);
console.timeEnd('1');

// Duff's device
console.time('2');
var sum = 0;
while(times) {
  sum += 1 / a[times--];
  sum += 1 / a[times--];
  sum += 1 / a[times--];
  sum += 1 / a[times--];
  sum += 1 / a[times--];
  sum += 1 / a[times--];
  sum += 1 / a[times--];
  sum += 1 / a[times--];
}
console.log(sum);
console.timeEnd('2');

　　当times取值较小时，得到了这样的结果（chrome 版本 43.0.2357.134 m）：

　　此时心中一万头草泥马奔腾而过，默默问自己为什么会出现这样有悖常理的结果。直到times取值越来越大：

　　而在firefox（39.0）下则出现了更诡异的一幕，似乎达夫设备对其不起任何效果：

　　那么达夫设备真的达不到想象当中的优化程度了吗？为了验证自己的猜想，同时在网上找到了一个外国朋友写的测试代码JavaScript Loop Optimization，大多数的测试结果还是和预料一致，但是也能捕获到这样的截图：

总结

　　经过测试，我觉得在迭代次数少的情况下，完全没有必要用达夫设备进行优化，且不说代码可读性差，有时甚至会适得其反，而多大的迭代次数算多，多大算少，也不好说，特定的浏览器特定的版本都有其一定的取值。老版本的浏览器运用达夫设备优化性能能得到大幅度的提升，而新版的浏览器引擎肯定对循环迭代语句进行了更强的优化，所以达夫设备能实现的优化效果日趋减弱甚至于没有。而在查阅资料的过程中，有人提出while循环的效果和达夫设备不相上下，接下去也会针对不同的循环方式作进一步的探索。