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「理论」jQuery选择器Sizzle原理分析(上)

| 导语 曾经红级一时的jQuery还记得吗?拥有号称当时业界最快的DOM选择器Sizzle,那么为什么他能自称是最快呢?让我们来分析一下Sizzle.js的源码,了解他的设计精妙之处。虽然MVVM已经成为现在的主流,但是了解历史能让我们更了解现在,也为以后更好的设计和开发框架提供的参考。

作者:朱胜–腾讯web前端工程师

@IMWeb前端社区

一、前沿

DOM选择器(Sizzle)是jQuery框架中非常重要的一部分,在H5还没有流行起来的时候,jQuery为我们提供了一个简洁,方便,高效的DOM操作模式,成为那个时代的经典。虽然现在Vue,React等MVVM框架的热度如日中天,但是了解下jQuery的DOM选择器设计思路,可以学习到Sizzle设计的精妙之处,为自己模块设计和框架设计提供很好的参考意义,也为了解MVVM框架虚拟DOM打下更好的基础。

二、Sizzle的特别之处

首先介绍下jQuery选择器模块,就是Sizzle选择器,他的网址是http://sizzlejs.com/,如果你只需要进行文档节点的查询,可以直接引入Sizzle的文件就可以了,而不需要整个jQuery文件。
Sizzle选择器有哪些特点呢?

1. 高效,Sizzle通过很多方法来实现了极致的访问速度,为我们搜索DOM节点提供了一个很好的指导,号称是当时最快的DOM选择器引擎。

2. 支持多种查询方式,包括基本选择器(ID,Class,TAG),层级选择器,伪类选择器等等,符合多种复杂场景。

3. 体积小,压缩后只有3K

三、如何分析框架源码

Sizzle.js的源码总共有2000多行,里面包含了很多的正则表达式,函数和兼容性处理,咋一看头都是懵的,这里我觉得读框架的源码需要有两个思路:

1. 简化模块,把主线留下:

  首先把源码分层,比如jQuery的事件和委托机制,之前文章中介绍过,总共分了4,5层,这样一层一层的分析,可以由底向上,集中注意力,一点点解开源码的大门,否则各种模块耦合在一起会让你看的怀疑人生。

2. 理清思路,找出设计图纸

  了解作者的思路,我们每个人在编码的时候是有一个设计流程或者设计图,还有数据结构,我们首先就要通过注释或者相关资料了解作者的这些思路,可以很快的读通源码流程,而不是一上来就淹没在源码中,效率很低。

四、Sizzle框架设计思路分析

Sizzle快具体在哪些原因呢,主要从几个角度来分析

1. 优先浏览器本地API:比如基本选择器最终调用的是getElementById等等,对于复杂选择器如果支持querySelector接口,优先使用querySelector来查询。最后对比较老旧的选择器才使用自己的查询逻辑。那使用浏览器本地API比JS本地执行性能高出很多,不在一个数量级。

2. 优化选择符:通过两个角度来优化,一是尽量缩小DOM根节点,缩小搜索的范围,另外是寻找备选种子集合,通过本地接口过滤出备选种子集合,而不是去搜索所有的DOM节点

3. 通过从右向左的方式来解析,在大多数情况下效率高出从左向右的模式很多

先解释一下从右向左分析的思路,比如有个选择符#div[name=wrapper] div[name=ad2] 如果是我们来分析这个字符串应该怎么分析?我们有两个选择

从左到右分析 和 从右到左分析,那么哪个方案更优呢?答案是从右向左,即使是浏览器渲染CSS也通常是这个规则,为啥呢?

我们考虑下HTML的基本结构,HTML被浏览器首先解析为DOM树类似于下面的结构:

假如我们要查询ad2这个div,$(\”#div[name=wrapper] div[name=ad2]\”)

(1)按从左往右的思路,我们首先要找到所有的Div,然后对每个Div是不是warpper,找到以后再对比他的子节点,看看他是不是ad2,对于一个嵌套很深的DOM树来说,每个Div可能存在很多子节点,那么每次遍历子节点的过程将会非常耗时,这是因为父与子的关系是一对多的关系。

(2)按从右向左的思路,我们首先找到所有的DIV,然后看看这个DIV是不是ad2,如果是的话再往上一层父节点查看,是不是wrapper,因为每个节点只有一个父节点,那么这个查询过程瞬间讯速了很多,是不是,因为子于父的关系是多对一,我们知道了子,那就等于是1对1,所以这个过程查询的概率效率肯定要比从左向右迅速许多。

4. 通过创建编译函数,通过空间换时间的方式,来提高相同选择符的查询性能,每个选择符查询之后都会被词法分析,然后创建为过滤函数,只要对种子集合执行过滤函数即可,后面会详细介绍。

下面我们正式进入源码分析:

首先那我们在分析Sizzle的时候做一个分层处理:

第一层 把兼容性相关逻辑去掉,只保留最常见的选择符的流程,我们假设我们的浏览器都是没有bug的,只需要走正常流程。

第二层 我们把比较复杂的位置伪类相关的逻辑去掉,只考虑普通选择符和层级选择符,比如 $(\”#div_test > span input[checked=true]\”),先不考虑类似:first等位置伪类,这样,源码一下子就精简了很多,等分析完了再加上去掉的逻辑。

然后我们需要把Sizzle查询的整体思路给画出来,把作者的设计思路画出来,再分析源码就清晰很多。

然后我们来了解一下Sizzle的整个流程图:

首先浏览器先做兼容性和初始化的一些处理,这些略过,然后通过正则表达式判断当前的选择符是不是 ID或者Class或者Tag的简单表达式,如果是的话直接调用JS原生接口getElementById/getElementsByClassName/getElementsByTagName来查询结果,这种效率是最高的,因为JS原生API是性能最好的。

如果是复杂选择器,比如带层级关系或者带伪类等,再判断浏览器是不是支持querySelectorAll高级查询,如果支持,调用querySelectorAll即可,这也是性能比较高的方案,但是如果我们的浏览器版本比较低不支持的话,就只能走下面Sizzle自己的方式来了。

由此可见,随着ES标准的发展,jQuery也引入了最新的API,从而实现了性能的最大优化。

现在进入到Sizzle自己的逻辑来了,首先进入select函数,看看整个流程,比如对于#div_test > span input[checked=true]

1. 首先进入词法分析过程tokenize把选择符字符串转换为token数组,以便后面分析使用,具体过程我们后面再说

2. 尝试缩小上下文范围,默认上下文是document,在这里我们发现#div_test是个ID选择符,可以直接把上下文定位到div_test这个节点,从而提高了查询性能

3. 尝试寻找一个初始集合seed,也就是说缩小备选dom列表,这里是input,所以我们把div_test节点下的所有子节点中的input节点作为seed数组保存起来

4. 将剩下的选择符进行编译保存,然后执行编译函数得到结果。

这里有几个细节说明一下,tokenize函数实现的过程是很多编译器实现的一种方式,比如js代码在执行之前也是从字符串需要进行词法分析,编译优化再执行的过程,通过tokenize可以让机器能理解我们的数据。Sizzle也通过两个尝试,一是缩小上下文,一是建立初始集合seed集合,从而尽可能的去缩小查询的范围,尽可能的提高查询的性能。

五、语法分析tokenize

既然我们要进行选择器处理,必然少不了对选择器字符串处理,这个过程就是词法分析。先了解下思路,如果是#div_test > span input[checked=true]会发生什么:

一个字符串的每个节点都被分析为以下数据结构:{type:\’对应的Token类型\’,value:\’匹配到的字符串\’,  matches:\’正则匹配到的一个结构\’}

type包括有TAG, ID, CLASS, ATTR, CHILD, PSEUDO, NAME,表示每个字符串的类型

value是指字符串本身的值

match正则匹配到的一个结构

我们通过console打印出来的数据结构是下面:

首先说明一下下面代码中tokens数组和groups数组的关系,

比如#div_test span 那么我们分析后的结果是一个tokens数组,包含两个元素div_test和span [{type:\”ID\”,value:\”div_test\”},{type:\”TAG\”,value:\”span\”}]

如果是 #div_test span,#sp_test span,那么是两组tokens数组 一个包含div_test和span 一个包含sp_test和span 那这两组tokens就形成一个二维数组groups

[

  [{type:\”ID\”,value:\”div_test\”},{type:\”TAG\”,value:\”span\”}]

  [{type:\”ID\”,value:\”sp_test \”},{type:\”TAG\”,value:\”span\”}]

]

代码总体思路是:

1. 如果有逗号,会过滤掉这个逗号,比如\”div1,div2\”第二次循环是selector的值是\”,div2\”需要删掉前面的逗号,然后为groups新增元素

2. 如果是关系运算符 > + 空格 ~开头,直接压入数组

3. 然后开始分析 ID,TAG,CLASS,ATTR,CHILD,PSEUDO选择符,如果匹配到了相关选择符,再看看是否需要预处理,如果需要再进行预处理返回(只有部分选择符需要,后面详解),然后压入数组,删除相关选择符字符串

4. 继续下一个循环直到结束

这里判断选择符

这里判断选择符的过程就是通过遍历Expr.filter来判断,我们来看看这个东西:

除了这5个,后面还根据浏览器兼容性新增了ID类型,为何要遍历这个对象呢,因为Sizzle里面把选择器字符串的类型就分了这么几种

ID:ID选择符

Class:类选择符

Tag:标签选择符

ATTR:属性标签

CHILD:包括(only|first|last|nth|nth-last)-(child|of-type)等等对子类的标签

PSEUDO:其他伪类选择符

对这些类型进行正则匹配之后,token数组就基本建立起来了,整个词法分析过程也就完成了。

顺便介绍下toSelector函数,他的过程刚好相反,就是把tokens字符串里面的值还原为字符串形式。

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