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面试官：tree-shaking的原理是什么？

2023-12-06
2844 字约 10 分钟
...
学习面试

前言

在前端面试的过程中，前端工程化一直是考察面试者能力的一个重点，而在我们常用的项目打包工具中，无论是webpack还是rollup，都具备一项很强大的能力——tree-shaking，所以面试官也常常会问到tree-shaking的原理是什么，这时我们该如何回答呢？其实核心原理就是AST。

在前端开发中，其实AST的应用有很多，比如我们前端项目的打包工具webpack、代码检查工具Eslint，代码转换工具babel都依赖了AST的语法分析和转换能力。

AST简单介绍

AST是Abstract Syntax Tree的缩写，这玩意儿的全称叫抽象语法树，它可以用来描述我们代码的语法结构。

举个例子：


let a = 1;
function add() {}

我这里创建了一个文件ast.js，可以把整个文件理解为一个File节点，存放程序体，而里面就是我们javascript的语法节点了，我们javascript语法节点的根节点是Program，而我们在里面定了了两个节点，第一个节点是let a = 1，解析为ast是VariableDeclaration，也就是变量声明节点，第二个节点是function add() {}，解析为ast是FunctionDeclaration，也就是函数声明节点。

这里给大家推荐一个平台：AST Explorer，能很清晰看到JavaScript代码转化为AST后的结果，看下下面这张图就一目了然了：

AST的作用

那拿到了代码的ast信息我们能做什么呢？

  1. 代码分析与转换。AST可以将我们的代码解析成一棵ast树，我们自然可以将这棵树进行处理和转换，这个最经典的应用莫过于babel了，将我们的高级语法ES6转换为ES5后，然后再把ast树转换成代码输出。除此之外，webpack的处理ES6的import和export也是依赖了ast的能力，以及我们的jsx的语法转换等。
  2. 语法检查和错误提示。我们把语法解析成ast树之后，自然就可以按照一定的语法规则去检查它的语法是否正确，一旦错误就可以抛出错误，提醒开发者去修正。比如我们使用的vscode就是利用AST 提供实时的语法检查和错误提示。而在前端项目中，应用的最广的语法检查工具就是ESlint了，基本就是前端项目必备。
  3. 静态类型检查。这个其实跟第二点有点像，不过第二点是侧重于语法检查，而这个是针对类型检查的，比如我们的Typescript会利用ast进行类型检查和推断。
  4. 代码重构。基于AST树，我们可以对代码进行自动重构。比如提取函数、变量重命名、语法升级、函数移动等。

其实在实际开发中，我们也可以利用做很多的事情，比如实现自动埋点、自动国际化、依赖分析和治理等等，有兴趣的小伙伴可以自行去探索。

而今天我主要介绍的就是AST的一大应用，就是我们webpack强大的Tree-Shaking能力。

Tree-shaking

Tree-shaking翻译过来的意思就是摇树。这棵树可以把它比喻为现实中的树，可以这样理解，摇树就是把发黄、没有作用还要汲取养分的叶子给给摇掉。把这个搬到javascript程序里面来就是，移除Javascript上下文中的未引用代码（dead-code）。

废话不多说，直接看例子：


function add(a, b) {
    return a + b;
}
function multiple(a, b) {
    return a * b;
}
let firstNum = 3, secondNum = 4;
add(firstNum, secondNum);

在这段代码中，我们定义了两个函数add和multiple，两个变量firstNum和secondNum，然后调用了add方法并将firstNum和secondNum作为参数传入。

很明显，multiple方法是没有被调用到的，打包的时候其实是可以被删除掉的，以减少我们打包后的代码体积。

那么，如何删除multiple呢？这时候就该我们的ast就登场了！要实现这个功能，分三步走。

第一步：解析源代码生成ast

先看如下代码：

const acorn = require('acorn');
const fs = require('fs');
const path = require('path');
const buffer = fs.readFileSync(path.resolve(process.cwd(), 'test.js')).toString();
const body = acorn.parse(buffer, {
    ecmaVersion: 'latest',
}).body;

这里我们选中acorn（babel其实是基于acorn实现解析器的）来对我们的代码进行解析，运行前需要先执行npm install acorn安装下acorn，然后读取文件内容传入acorn，得到ast。

我们可以用AST Explorer，来看一眼我们现在的AST。

第二步：遍历ast，记录相关信息

一、先明确下我们要记录哪些信息？

我们的主要目的是收集到未引用的代码，然后将它们删除掉，所以我们最容易想到的需要收集的信息有两个：

  1. 收集所有的函数或变量类型节点
  2. 收集所有使用过的函数或变量类型节点

那我们先试试看：

const acorn = require('acorn');
const fs = require('fs');
const path = require('path');
const buffer = fs.readFileSync(path.resolve(process.cwd(), './src/index.js')).toString();
const body = acorn.parse(buffer, {
    ecmaVersion: 'latest',
}).body;

const Generator = require('./generator');

const gen = new Generator();

const decls = new Map();

const calledDecls = [];

这里我引入了一个Generator，其作用就是将每个ast节点转化成对应的代码，来看下Generator的实现:

  1. 先定义好Generator类，将其导出。

class Generator {
}

module.exports = Generator;
  1. 定义run方法以及visitNode和visitNodes方法。
  • run：调用visitNodes方法生成代码。
  • visitNode：根据节点类型，调用对应的方法进行对应处理。
  • visitNodes：就是处理数组类型的节点用的，内部循环调用了visitNode方法。

class Generator {
     run(body) {
        let str = '';
        str += this.visitNodes(body);
        return str;
    }
    visitNodes(nodes) {
        let str = '';
        for (const node of nodes) {
            str += this.visitNode(node);
        }
        return str;
    }
    visitNode(node) {
        let str = '';
        switch (node.type) {
            case 'VariableDeclaration':
                str += this.visitVariableDeclaration(node);
                break;
            case 'VariableDeclarator':
                str += this.visitVariableDeclarator(node);
                break;
            case 'Literal':
                str += this.visitLiteral(node);
                break;
            case 'Identifier':
                str += this.visitIdentifier(node);
                break;
            case 'BinaryExpression':
                str += this.visitBinaryExpression(node);
                break;
            case 'FunctionDeclaration':
                str += this.visitFunctionDeclaration(node);
                break;
            case 'BlockStatement':
                str += this.visitBlockStatement(node);
                break;
            case 'CallExpression':
                str += this.visitCallExpression(node);
                break;
            case 'ReturnStatement':
                str += this.visitReturnStatement(node);
                break;
            case 'ExpressionStatement':
                str += this.visitExpressionStatement(node);
                break;
        }
        return str;
    }
}
  1. 再分别介绍下每个处理节点类型的方法实现

实现visitVariableDeclaration方法

class Generator {
     
    visitVariableDeclaration(node) {
        let str = '';
        str += node.kind + ' ';
        str += this.visitNodes(node.declarations);
        return str + '\n';
    }
     
}

visitVariableDeclaration就是处理let firstNum = 3这种变量声明的节点，node.kind就是let/const/var，然后变量可以一次声明多个，比如我们test.js里面写的let firstNum = 3, secondNum = 4;，这样node.declarations就有两个节点了。

class Generator {
     
    visitVariableDeclaration(node) {
        let str = '';
        str += node.kind + ' ';
        str += this.visitNodes(node.declarations);
        return str + '\n';
    }
     
}

实现visitVariableDeclarator方法

class Generator {
     
    visitVariableDeclarator(node, kind) {
        let str = kind ? (kind + ' ') : '';
        str += this.visitNode(node.id);
        str += '=';
        str += this.visitNode(node.init);
        return str + ';' + '\n';
    }
     
}

visitVariableDeclarator就是上面VariableDeclaration的子节点，可以接收到父节点的kind，比如let firstNum = 3它的id就是变量名firstNum，init就是初始化的值3。

实现visitLiteral方法

class Generator {
     visitLiteral(node) {
        return node.raw;
    }
}

Literal即字面量，比如let firstNum = 3里面的3就是一个字符串字面量，除此之外，还有数字字面量，布尔字面量等等，这个直接返回它的raw属性就行啦。

实现visitIdentifier方法

class Generator {
     visitIdentifier(node) {
        return node.name;
    }
}

Identifier即标识符，比如变量名、属性名、参数名等都是，比如let firstNum = 3的firstNum,直接返回它的name属性即可。

实现visitBinaryExpression方法

BinaryExpression即二进制表达式，比如我们的加减乘除运算都是，比如a + b的ast如下：

我们需要拿到它的左右节点和中间的标识符拼接起来。

class Generator {
     visitBinaryExpression(node) {
        let str = '';
        str += this.visitNode(node.left);
        str += node.operator;
        str += this.visitNode(node.right);
        return str + '\n';
    }
}

实现visitFunctionDeclaration方法

FunctionDeclaration即为函数声明节点，稍微复杂一些，因为我们要拼接一个函数出来。

function add(a, b) {
    return a + b;
}

比如我们这个add函数转成ast如下图：

class Generator {
     visitFunctionDeclaration(node) {
        let str = 'function ';
        str += this.visitNode(node.id);
        str += '(';
        for (let paramIndex = 0; paramIndex < node.params.length; paramIndex++) {
            str += this.visitNode(node.params[paramIndex]);
            str += ((node.params[paramIndex] === undefined) ? '' : ',')
        }
        str = str.slice(0, str.length - 1);
        str += '){\n';
        str += this.visitNode(node.body);
        str += '}';
        return str + '\n';
    }
}

先拿到node.id，即add，然后处理函数的参数params，由于存在多个params需要循环处理，用逗号拼接，然后再调用visitNode方法拼接node.body即函数体。

实现visitBlockStatement方法

BlockStatement即块语句，就是我们的大括号包裹的部分。比如add函数里面的块语句的ast如下：

class Generator {
    visitBlockStatement(node) {
        let str = '';
        str += this.visitNodes(node.body);
        return str;
    }
}

只需要用visitNodes函数拼接它的node.body即可。

实现visitCallExpression方法

CallExpression也就是函数调用，比如add(firstNum, secondNum)，它比较重要的属性有：

  • callee：也就是 add
  • arguments：也就是调用的参数 firstNum 和 secondNum 其ast如下：

class Generator {
   visitCallExpression(node) {
        let str = '';
        str += this.visitIdentifier(node.callee);
        str += '(';
        for (const arg of node.arguments) {
            str += this.visitNode(arg) + ',';
        }
        str = str.slice(0, -1);
        str += ');';
        return str + '\n';
    }
}

只需要将它的callee以及参数arguments处理好用小括号()拼接起来即可。

实现visitReturnStatement方法

ReturnStatement即返回语法，比如return a + b这种，它的ast如下：

它的实现也比较简单，直接拼接node.argument就好啦：

class Generator {
   visitReturnStatement(node) {
        let str = '';
        str = str + '  return ' + this.visitNode(node.argument);
        return str + '\n';
    }
}

实现visitExpressionStatement方法

ExpressionStatement即表达式语句，它的特点是执行完之后有返回值，比如add(firstNum, secondNum);，它是在CallExpression外面包裹了一层ExpressionStatement，执行完之后返回函数的调用结果，其ast如下：

所以实现也比较简单，我们只需要处理它的expression返回就好了。

class Generator {
    return this.visitNode(node.expression);
}

这样，我们就完整实现Generator了，接下来就可以开始遍历ast了。


const acorn = require('acorn');
const fs = require('fs');
const path = require('path');
const buffer = fs.readFileSync(path.resolve(process.cwd(), './src/index.js')).toString();
const body = acorn.parse(buffer, {
    ecmaVersion: 'latest',
}).body;

const Generator = require('./generator');

const gen = new Generator();

const decls = new Map();

const calledDecls = [];

body.forEach(node => {
    if (node.type === 'FunctionDeclaration') {
        const code = gen.run([node]);
        decls.set(gen.visitNode(node.id), code);
        return;
    }
    if (node.type === 'VariableDeclaration') {
        for (const decl of node.declarations) {
            decls.set(gen.visitNode(decl.id), gen.visitVariableDeclarator(decl, node.kind));
        }
        return;
    }
    if (node.type === 'ExpressionStatement') {
        if (node.expression.type === 'CallExpression') {
            const callNode = node.expression;
            calledDecls.push(gen.visitIdentifier(callNode.callee));
            for (const arg of callNode.arguments) {
                if (arg.type === 'Identifier') {
                    calledDecls.push(arg.name);
                }
            }
        }
    }
    if (node.type === 'Identifier') {
        calledDecls.push(node.name);
    }
})
console.log('decls', decls);
console.log('calledDecls', decls);

使用node tree-shaking.js运行一下，结果如下：

很明显，我们decls总共有四个节点函数或变量类型节点，而被调用的calledDecls只有三个，很明显multiple函数没被调用，可以被tree-shaking掉，拿到这些信息之后，接下来我们开始生成tree-shaking后的代码。

第三步：根据第二步得到的信息，生成新代码


code = calledDecls.map(c => decls.get(c)).join('');
console.log(code);

我们直接遍历calledDecls生成新的源代码，打印结果如下：

咦！跟我们最开始的文件内容一比，发现multiple虽然被移除掉了，但我们的函数调用语句add(firstNum, secondNum);却丢了，那我们简单处理下。

我们声明一个code数组：


const calledDecls = [];

const code = [];

然后把不是FunctionDeclaration和VariableDeclaration的信息都存储一下：


body.forEach(node => {
    if (node.type === 'FunctionDeclaration') {
        const code = gen.run([node]);
        decls.set(gen.visitNode(node.id), code);
        return;
    }
    if (node.type === 'VariableDeclaration') {
        for (const decl of node.declarations) {
            decls.set(gen.visitNode(decl.id), gen.visitVariableDeclarator(decl, node.kind));
        }
        return;
    }
    if (node.type === 'ExpressionStatement') {
        if (node.expression.type === 'CallExpression') {
            const callNode = node.expression;
            calledDecls.push(gen.visitIdentifier(callNode.callee));
            for (const arg of callNode.arguments) {
                if (arg.type === 'Identifier') {
                    calledDecls.push(arg.name);
                }
            }
        }
    }
    if (node.type === 'Identifier') {
        calledDecls.push(node.name);
    }
    
    code.push(gen.run([node]));
})

最后输出的时候，把code里面的信息也带上：


code = calledDecls.map(c => decls.get(c)).concat(code).join('');
console.log(code);

然后运行一下，打印结果如下：

这样我们一个简易版本的tree-shaking就完成了，当然，webpack的tree-shaking的能力远比这个强大的多，我们只是写了个最简单版本，实际项目要比这复杂得多：

  • 处理文件依赖import/export
  • 作用域scope的处理
  • 递归tree-shaking，因为可能去除了某些代码后，又会产生新的未被引用的代码，所以需要递归处理
  • 等等..

小结

本文通过ast的语法分析能力，分析JavaScript代码中未被引用的函数或变量，进而实现了一个最简单版本的tree-shaking，希望大家看完都能有所收获哦~

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