前端渲染引擎doT.js解析
背景前端渲染有很多框架，而且形式和内容在不断发生变化。这些演变的背后是设计模式的变化，而归根到底是功能划分逻辑的演变：MVC—>MVP—>MVVM（忽略最早混在一起的写法，那不称为模式）。近几年兴起的React、Vue、Angular等框架都属于MVVM模式，能帮我们实现界面渲染、事件绑定、路由分发等复杂功能。但在一些只需完成数据和模板简单渲染的场合，它们就显得笨重而且学习成本较高了。
背景
前端渲染有很多框架，而且形式和内容在不断发生变化。这些演变的背后是设计模式的变化，而归根到底是功能划分逻辑的演变：MVC—>MVP—>MVVM（忽略最早混在一起的写法，那不称为模式）。近几年兴起的React、Vue、Angular等框架都属于MVVM模式，能帮我们实现界面渲染、事件绑定、路由分发等复杂功能。但在一些只需完成数据和模板简单渲染的场合，它们就显得笨重而且学习成本较高了。
例如，在美团外卖的开发实践中，前端经常从后端接口取得长串的数据，这些数据拥有相同的样式模板，前端需要将这些数据在同一个样式模板上做重复渲染操作。
解决这个问题的模板引擎有很多，doT.js（出自女程序员Laura Doktorova之手）是其中非常优秀的一个。下表将doT.js与其他同类引擎做了对比：
| 框架 | 大小 | 压缩版本大小 | 迭代 | 条件表达式 | 自定义语法 | | ———— | ————- | ———— | ———— | | doT.js | 6KB | 4KB | ✓ | ✓ | ✓ | | mustache | 18.9 KB | 9.3 KB | ✓ | ✗ | ✓ | | Handlebars | 512KB | 62.3KB | ✓ | ✓ | ✓ | | artTemplate(腾讯) | - | 5.2KB | ✓ | ✓| ✓ | | BaiduTemplate(百度) | 9.45KB | 6KB | ✓ | ✓ | ✓ | | jQuery-tmpl | 18.6KB | 5.98KB | ✓ | ✓ | ✓ |
可以看出，doT.js表现突出。而且，它的性能也很优秀，本人在Mac Pro上的用Chrome浏览器（版本为：56.0.2924.87）上做100条数据10000次渲染性能测试，结果如下：
从上可以看出doT.js更值得推荐，它的主要优势在于： 1. 小巧精简，源代码不超过两百行，6KB的大小，压缩版只有4KB； 2. 支持表达式丰富，涵盖几乎所有应用场景的表达式语句； 3. 性能优秀； 4. 不依赖第三方库。
本文主要对doT.js的源码进行分析，探究一下这类模板引擎的实现原理。
如何使用
如果之前用过doT.js，可以跳过此小节，doT.js使用示例如下：
<script type="text/html" id="tpl">
<div>
<a>name:{{= it.name}}</a>
<p>age:{{= it.age}}</p>
<p>hello:{{= it.sayHello() }}</p>
<select>
{{~ it.arr:item}}
<option {{?item.id == it.stringParams2}}selected{{?}} value="{{=item.id}}">
{{=item.text}}
</option>
{{~}}
</select>
</div>
</script>
<script>
$("#app").html(doT.template($("#tpl").html())({
name:'stringParams1',
stringParams1:'stringParams1_value',
stringParams2:1,
arr:[{id:0,text:'val1'},{id:1,text:'val2'}],
sayHello:function () {
return this[this.name]
}
}));
</script>
可以看出doT.js的设计思路：将数据注入到预置的视图模板中渲染，返回HTML代码段，从而得到最终视图。
下面是一些常用语法表达式对照表：
| 项目 | JavaScript语法 | 对应语法 | 案例 |
|---|---|---|---|
| 输出变量 | = | {{= 变量名}} | {{=it.name }} |
| 条件判断 | if | {{? 条件表达式}} | {{? i > 3}} |
| 条件转折 | else/else if | {{??}}/{{?? 表达式}} | {{?? i ==2}} |
| 循环遍历 | for | {{~ 循环变量}} | {{~ it.arr:item}}…{{~}} |
| 执行方法 | funcName() | {{= funcName() }} | {{= it.sayHello() }} |
源码分析及实现原理
和后端渲染不同，doT.js的渲染完全交由前端来进行，这样做主要有以下好处：
- 脱离后端渲染语言，不需要依赖后端项目的启动，从而降低了开发耦合度、提升开发效率；
- View层渲染逻辑全在JavaScript层实现，容易维护和修改；
- 数据通过接口得到，无需考虑后端数据模型变化，只需关心数据格式。
doT.js源码核心：
...
// 去掉所有制表符、空格、换行
str = ("var out='" + (c.strip ? str.replace(/(^|\r|\n)\t* +| +\t*(\r|\n|$)/g," ")
.replace(/\r|\n|\t|\/\*[\s\S]*?\*\//g,""): str)
.replace(/'|\\/g, "\\$&")
.replace(c.interpolate || skip, function(m, code) {
return cse.start + unescape(code,c.canReturnNull) + cse.end;
})
.replace(c.encode || skip, function(m, code) {
needhtmlencode = true;
return cse.startencode + unescape(code,c.canReturnNull) + cse.end;
})
// 条件判断正则匹配，包括if和else判断
.replace(c.conditional || skip, function(m, elsecase, code) {
return elsecase ?
(code ? "';}else if(" + unescape(code,c.canReturnNull) + "){out+='" : "';}else{out+='") :
(code ? "';if(" + unescape(code,c.canReturnNull) + "){out+='" : "';}out+='");
})
// 循环遍历正则匹配
.replace(c.iterate || skip, function(m, iterate, vname, iname) {
if (!iterate) return "';} } out+='";
sid+=1; indv=iname || "i"+sid; iterate=unescape(iterate);
return "';var arr"+sid+"="+iterate+";if(arr"+sid+"){var "+vname+","+indv+"=-1,l"+sid+"=arr"+sid+".length-1;while("+indv+"<l"+sid+"){"
+vname+"=arr"+sid+"["+indv+"+=1];out+='";
})
// 可执行代码匹配
.replace(c.evaluate || skip, function(m, code) {
return "';" + unescape(code,c.canReturnNull) + "out+='";
})
+ "';return out;")
...
try {
return new Function(c.varname, str);//c.varname 定义的是new Function（）返回的函数的参数名
} catch (e) {
/* istanbul ignore else */
if (typeof console !== "undefined") console.log("Could not create a template function: " + str);
throw e;
}
...
这段代码总结起来就是一句话：用正则表达式匹配预置模板中的语法规则，将其转换、拼接为可执行HTML代码，作为可执行语句，通过new Function()创建的新方法返回。
代码解析重点1：正则替换
正则替换是doT.js的核心设计思路，本文不对正则表达式做扩充讲解，仅分析doT.js的设计思路。先来看一下doT.js中用到的正则：
templateSettings: {
evaluate: /\{\{([\s\S]+?(\}?)+)\}\}/g, //表达式
interpolate: /\{\{=([\s\S]+?)\}\}/g, // 插入的变量
encode: /\{\{!([\s\S]+?)\}\}/g, // 在这里{{！不是用来做判断，而是对里面的代码做编码
use: /\{\{#([\s\S]+?)\}\}/g,
useParams: /(^|[^\w$])def(?:\.|\[[\'\"])([\w$\.]+)(?:[\'\"]\])?\s*\:\s*([\w$\.]+|\"[^\"]+\"|\'[^\']+\'|\{[^\}]+\})/g,
define: /\{\{##\s*([\w\.$]+)\s*(\:|=)([\s\S]+?)#\}\}/g,// 自定义模式
defineParams:/^\s*([\w$]+):([\s\S]+)/, // 自定义参数
conditional: /\{\{\?(\?)?\s*([\s\S]*?)\s*\}\}/g, // 条件判断
iterate: /\{\{~\s*(?:\}\}|([\s\S]+?)\s*\:\s*([\w$]+)\s*(?:\:\s*([\w$]+))?\s*\}\})/g, // 遍历
varname: "it", // 默认变量名
strip: true,
append: true,
selfcontained: false,
doNotSkipEncoded: false // 是否跳过一些特殊字符
}
源码中将正则定义写到一起，这样方便了维护和管理。在早期版本的doT.js中，处理条件表达式的方式和tmpl一样，采用直接替换成可执行语句的形式，在最新版本的doT.js中，修改成仅一条正则就可以实现替换，变得更加简洁。
doT.js源码中对模板中语法正则替换的流程如下：
代码解析重点2：new Function()运用
函数定义时，一般通过Function关键字，并指定一个函数名，用以调用。在JavaScript中，函数也是对象，可以通过函数对象（Function Object）来创建。正如数组对象对应的类型是Array，日期对象对应的类型是Date一样，如下所示：
var funcName = new Function(p1,p2,...,pn,body);
参数的数据类型都是字符串，p1到pn表示所创建函数的参数名称列表，body表示所创建函数的函数体语句，funcName就是所创建函数的名称（可以不指定任何参数创建一个匿名函数）。
下面的定义是等价的。
例如：
// 一般函数定义方式
function func1(a,b){
return a+b;
}
// 参数是一个字符串通过逗号分隔
var func2 = new Function('a,b','return a+b');
// 参数是多个字符串
var func3 = new Function('a','b','return a+b');
// 一样的调用方式
console.log(func1(1,2));
console.log(func2(2,3));
console.log(func3(1,3));
// 输出
3 // func1
5 // func2
4 // func3
从上面的代码中可以看出，Function的最后一个参数，被转换为可执行代码，类似eval的功能。eval执行时存在浏览器性能下降、调试困难以及可能引发XSS（跨站）攻击等问题，因此不推荐使用eval执行字符串代码，new Function()恰好解决了这个问题。回过头来看doT代码中的”new Function(c.varname, str)“，就不难理解varname是传入可执行字符串str的变量。
具体关于new Fcuntion的定义和用法，详细请阅读Function详细介绍。
性能之因
读到这里可能会产生一个疑问：doT.js的性能为什么在众多引擎如此突出？通过阅读其他引擎源代码，发现了它们核心代码段中都存在这样那样的问题。
jQuery-tmpl
function buildTmplFn( markup ) {
return new Function("jQuery","$item",
// Use the variable __ to hold a string array while building the compiled template. (See https://github.com/jquery/jquery-tmpl/issues#issue/10).
"var $=jQuery,call,__=[],$data=$item.data;" +
// Introduce the data as local variables using with(){}
"with($data){__.push('" +
// Convert the template into pure JavaScript
jQuery.trim(markup)
.replace( /([\\'])/g, "\\$1" )
.replace( /[\r\t\n]/g, " " )
.replace( /\$\{([^\}]*)\}/g, "{{= $1}}" )
.replace( /\{\{(\/?)(\w+|.)(?:\(((?:[^\}]|\}(?!\}))*?)?\))?(?:\s+(.*?)?)?(\(((?:[^\}]|\}(?!\}))*?)\))?\s*\}\}/g,
function( all, slash, type, fnargs, target, parens, args ) {
//省略部分模板替换语句,若要阅读全部代码请访问:https://github.com/BorisMoore/jquery-tmpl
}) +
"');}return __;"
);
}
在上面的代码中看到，jQuery-teml同样使用了new Function()的方式编译模板，但是在性能对比中jQuery-teml性能相比doT.js相差甚远，出现性能瓶颈的关键在于with语句的使用。
with语句为什么对性能有这么大的影响？我们来看下面的代码：
var datas = {persons:['李明','小红','赵四','王五','张三','孙行者','马婆子'],gifts:['平民','巫师','狼','猎人','先知']};
function go(){
with(datas){
var personIndex = 0,giftIndex = 0,i=100000;
while(i){
personIndex = Math.floor(Math.random()*persons.length);
giftIndex = Math.floor(Math.random()*gifts.length)
console.log(persons[personIndex] +'得到了新的身份:'+ gifts[giftIndex]);
i--;
}
}
}
上面代码中使用了一个with表达式，为了避免多次从datas中取变量而使用了with语句。这看起来似乎提升了效率，但却产生了一个性能问题：在JavaScript中执行方法时会产生一个执行上下文，这个执行上下文持有该方法作用域链，主要用于标识符解析。当代码流执行到一个with表达式时，运行期上下文的作用域链被临时改变了，一个新的可变对象将被创建，它包含指定对象的所有属性。此对象被插入到作用域链的最前端，意味着现在函数的所有局部变量都被推入第二个作用域链对象中，这样访问datas的属性非常快，但是访问局部变量的速度却变慢了，所以访问代价更高了，如下图所示。
这个插件在GitHub上面介绍时，作者Boris Moore着重强调两点设计思路：
- 模板缓存，在模板重复使用时，直接使用内存中缓存的模板。在本文作者看来，这是一个鸡肋的功能，在实际使用中，无论是直接写在String中的模板还是从Dom获取的模板都会以变量的形式存放在内存中，变量使用得当，在页面整个生命周期内都能取到这个模板。通过源码分析之后发现jQuery-tmpl的模板缓存并不是对模板编译结果进行缓存，并且会造成多次执行渲染时产生多次编译，再加上代码with性能消耗，严重拖慢整个渲染过程。
- 模板标记，可以从缓存模板中取出对应子节点。这是一个不错的设计思路，可以实现数据改变只重新渲染局部界面的功能。但是我觉得：模板将渲染结果交给开发者，并渲染到界面指定位置之后，模板引擎的工作就应该结束了，剩下的对节点操作应该灵活的掌握在开发者手上。
不改变原来设计思路基础之上，尝试对源代码进行性能提升。
先保留提升前性能作为对比：
首先来我们做第一次性能提升，移除源码中with语句。
第一次提升后：
接下来第二部提升，落实Boris Moore设计理念中的模板缓存：
优化后的这一部分代码段被我们修改成了：
function buildTmplFn( markup ) {
if(!compledStr){
// Convert the template into pure JavaScript
compledStr = jQuery.trim(markup)
.replace( /([\\'])/g, "\\$1" )
.replace( /[\r\t\n]/g, " " )
.replace( /\$\{([^\}]*)\}/g, "{{= $1}}" )
.replace( /\{\{(\/?)(\w+|.)(?:\(((?:[^\}]|\}(?!\}))*?)?\))?(?:\s+(.*?)?)?(\(((?:[^\}]|\}(?!\}))*?)\))?\s*\}\}/g,
//省略部分模板替换语句
}
return new Function("jQuery","$item",
// Use the variable __ to hold a string array while building the compiled template. (See https://github.com/jquery/jquery-tmpl/issues#issue/10).
"var $=jQuery,call,__=[],$data=$item.data;" +
// Introduce the data as local variables using with(){}
"__.push('" + compledStr +
"');return __;"
)
}
在doT.js源码中没有用到with这类消耗性能的语句，与此同时doT.js选择先将模板编译结果返回给开发者，这样如要重复多次使用同一模板进行渲染便不会反复编译。
仅25行的模板：tmpl
(function(){
var cache = {};
this.tmpl = function (str, data){
var fn = !/\W/.test(str) ?
cache[str] = cache[str] ||
tmpl(document.getElementById(str).innerHTML) :
new Function("obj",
"var p=[],print=function(){p.push.apply(p,arguments);};" +
"with(obj){p.push('" +
str
.replace(/[\r\t\n]/g, " ")
.split("<%").join("\t")
.replace(/((^|%>)[^\t]*)'/g, "$1\r")
.replace(/\t=(.*?)%>/g, "',$1,'")
.split("\t").join("');")
.split("%>").join("p.push('")
.split("\r").join("\\'")
+ "');}return p.join('');");
return data ? fn( data ) : fn;
};
})();
阅读这段代码会惊奇的发现，它更像是baiduTemplate精简版。相比baiduTemplate而言，它移除了baiduTemplate的自定义语法标签的功能，使得代码更加精简，也避开了替换用户语法标签而带来的性能消耗。对于doT.js来说，性能问题的关键是with语句。
综合上述我对tmpl的源码进行移除with语句改造：
改造之前性能：
改造之后性能：
如果读者对性能对比源码比较感兴趣可以访问 https://github.com/chen2009277025/TemplateTest 。
总结
通过对doT.js源码的解读，我们发现：
- doT.js的条件判断语法标签不直观。当开发者在使用过程中条件判断嵌套过多时，很难找到对应的结束语法符号，开发者需要自己严格规范代码书写，否则会给开发和维护带来困难。
- doT.js限制开发者自定义语法标签，相比较之下baiduTemplate提供可自定义标签的功能，而baiduTemplate的性能瓶颈恰好是提供自定义语法标签的功能。
很多解决我们问题的插件的代码往往简单明了，那些庞大的插件反而存在负面影响或无用功能。技术领域有一个软件设计范式：“约定大于配置”，旨在减少软件开发人员需要做决定的数量，做到简单而又不失灵活。在插件编写过程中开发者应多注意使用场景和性能的有机结合，使用恰当的语法，尽可能减少开发者的配置，不求迎合各个场景。
作者简介
- 建辉，美团外卖高级前端研发工程师，2015年加入美团外卖事业部。目前在前端业务增长组，主要负责运营平台搭建，主导运营活动业务。
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