针对Web网页性能管理详细的解说

开发 前端
你会有什么反应?我猜想,大多数用户会关闭这个页面,改为访问其他网站。作为一个开发者,肯定不愿意看到这种情况,怎样才能提高性能呢?

你遇到过性能很差的网页吗?

这种网页响应非常缓慢,占用大量的 CPU 和内存,浏览起来常常有卡顿,页面的动画效果也不流畅。

你会有什么反应?我猜想,大多数用户会关闭这个页面,改为访问其他网站。作为一个开发者,肯定不愿意看到这种情况,怎样才能提高性能呢?

本文将详细介绍性能问题的出现原因,以及解决方法。

一、网页生成的过程

要理解网页性能为什么不好,就要了解网页是怎么生成的。

网页的生成过程,大致可以分成五步。

  • HTML 代码转化成 DOM

  • CSS 代码转化成 CSSOM(CSS Object Model)

  • 结合 DOM 和 CSSOM,生成一棵渲染树(包含每个节点的视觉信息)

  • 生成布局(layout),即将所有渲染树的所有节点进行平面合成

  • 将布局绘制(paint)在屏幕上

这五步里面,第一步到第三步都非常快,耗时的是第四步和第五步。

“生成布局”(flow)和”绘制”(paint)这两步,合称为”渲染”(render)。

二、重排和重绘

网页生成的时候,至少会渲染一次。用户访问的过程中,还会不断重新渲染。

以下三种情况,会导致网页重新渲染。

  • 修改 DOM

  • 修改样式表

  • 用户事件(比如鼠标悬停、页面滚动、输入框键入文字、改变窗口大小等等)

重新渲染,就需要重新生成布局和重新绘制。前者叫做”重排”(reflow),后者叫做”重绘”(repaint)。

需要注意的是,”重绘”不一定需要”重排”,比如改变某个网页元素的颜色,就只会触发”重绘”,不会触发”重排”,因为布局没有改变。但是,”重排”必然导致”重绘”,比如改变一个网页元素的位置,就会同时触发”重排”和”重绘”,因为布局改变了。

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三、对于性能的影响

重排和重绘会不断触发,这是不可避免的。但是,它们非常耗费资源,是导致网页性能低下的根本原因。

提高网页性能,就是要降低”重排”和”重绘”的频率和成本,尽量少触发重新渲染。

前面提到,DOM 变动和样式变动,都会触发重新渲染。但是,浏览器已经很智能了,会尽量把所有的变动集中在一起,排成一个队列,然后一次性执行,尽量避免多次重新渲染。

  1. div.style.color = 'blue'
  2. div.style.marginTop = '30px'

上面代码中,div 元素有两个样式变动,但是浏览器只会触发一次重排和重绘。

如果写得不好,就会触发两次重排和重绘。

  1. div.style.color = 'blue'
  2. var margin = parseInt (div.style.marginTop); 
  3. div.style.marginTop = (margin + 10) + 'px'

上面代码对 div 元素设置背景色以后,第二行要求浏览器给出该元素的位置,所以浏览器不得不立即重排。

一般来说,样式的写操作之后,如果有下面这些属性的读操作,都会引发浏览器立即重新渲染。

  • offsetTop/offsetLeft/offsetWidth/offsetHeight

  • scrollTop/scrollLeft/scrollWidth/scrollHeight

  • clientTop/clientLeft/clientWidth/clientHeight

  • getComputedStyle ()

所以,从性能角度考虑,尽量不要把读操作和写操作,放在一个语句里面。

  1. // bad 
  2. div.style.left = div.offsetLeft + 10 + "px"
  3. div.style.top = div.offsetTop + 10 + "px"
  4. // good 
  5. var left = div.offsetLeft; 
  6. var top  = div.offsetTop; 
  7. div.style.left = left + 10 + "px"
  8. div.style.top = top + 10 + "px"

一般的规则是:

  1. 样式表越简单,重排和重绘就越快。

  2. 重排和重绘的 DOM 元素层级越高,成本就越高。

  3. table 元素的重排和重绘成本,要高于 div 元素

四、提高性能的九个技巧

有一些技巧,可以降低浏览器重新渲染的频率和成本。

第一条是上一节说到的,DOM 的多个读操作(或多个写操作),应该放在一起。不要两个读操作之间,加入一个写操作。

第二条,如果某个样式是通过重排得到的,那么最好缓存结果。避免下一次用到的时候,浏览器又要重排。

第三条,不要一条条地改变样式,而要通过改变 class,或者 csstext 属性,一次性地改变样式。

  1. // bad 
  2. var left = 10
  3. var top = 10
  4. el.style.left = left + "px"
  5. el.style.top  = top  + "px"
  6.  
  7. // good 
  8. el.className += " theclassname"
  9.  
  10. // good 
  11. el.style.cssText += "; left: " + left + "px; top: " + top + "px;"

第四条,尽量使用离线 DOM,而不是真实的网面 DOM,来改变元素样式。比如,操作 Document Fragment 对象,完成后再把这个对象加入 DOM。再比如,使用 cloneNode () 方法,在克隆的节点上进行操作,然后再用克隆的节点替换原始节点。

第五条,先将元素设为 display: none (需要 1 次重排和重绘),然后对这个节点进行 100 次操作,最后再恢复显示(需要 1 次重排和重绘)。这样一来,你就用两次重新渲染,取代了可能高达 100 次的重新渲染。

第六条,position 属性为 absolute 或 fixed 的元素,重排的开销会比较小,因为不用考虑它对其他元素的影响。

第七条,只在必要的时候,才将元素的 display 属性为可见,因为不可见的元素不影响重排和重绘。另外,visibility : hidden 的元素只对重排有影响,不影响重绘。

第八条,使用虚拟 DOM 的脚本库,比如 React 等。

第九条,使用 window.requestAnimationFrame ()、window.requestIdleCallback () 这两个方法调节重新渲染(详见后文)。

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五、刷新率

很多时候,密集的重新渲染是无法避免的,比如 scroll 事件的回调函数和网页动画。

网页动画的每一帧(frame)都是一次重新渲染。每秒低于 24 帧的动画,人眼就能感受到停顿。一般的网页动画,需要达到每秒 30 帧到 60 帧的频率,才能比较流畅。如果能达到每秒 70 帧甚至 80 帧,就会极其流畅。

大多数显示器的刷新频率是 60Hz,为了与系统一致,以及节省电力,浏览器会自动按照这个频率,刷新动画(如果可以做到的话)。

所以,如果网页动画能够做到每秒 60 帧,就会跟显示器同步刷新,达到最佳的视觉效果。这意味着,一秒之内进行 60 次重新渲染,每次重新渲染的时间不能超过 16.66 毫秒。

一秒之间能够完成多少次重新渲染,这个指标就被称为”刷新率”,英文为 FPS(frame per second)。60 次重新渲染,就是 60FPS。

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六、开发者工具的 Timeline 面板

Chrome 浏览器开发者工具的 Timeline 面板,是查看”刷新率”的最佳工具。这一节介绍如何使用这个工具。

首先,按下 F12 打开”开发者工具”,切换到 Timeline 面板。

左上角有一个灰色的圆点,这是录制按钮,按下它会变成红色。然后,在网页上进行一些操作,再按一次按钮完成录制。

Timeline 面板提供两种查看方式:横条的是”事件模式”(Event Mode),显示重新渲染的各种事件所耗费的时间;竖条的是”帧模式”(Frame Mode),显示每一帧的时间耗费在哪里。

先看”事件模式”,你可以从中判断,性能问题发生在哪个环节,是 JavaScript 的执行,还是渲染?

不同的颜色表示不同的事件。

  • 蓝色:网络通信和 HTML 解析

  • 黄色:JavaScript 执行

  • 紫色:样式计算和布局,即重排

  • 绿色:重绘

哪种色块比较多,就说明性能耗费在那里。色块越长,问题越大。

帧模式(Frames mode)用来查看单个帧的耗时情况。每帧的色柱高度越低越好,表示耗时少。

你可以看到,帧模式有两条水平的参考线。

下面的一条是 60FPS,低于这条线,可以达到每秒 60 帧;上面的一条是 30FPS,低于这条线,可以达到每秒 30 次渲染。如果色柱都超过 30FPS,这个网页就有性能问题了。

此外,还可以查看某个区间的耗时情况。

或者点击每一帧,查看该帧的时间构成。

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七、window.requestAnimationFrame ()

有一些 JavaScript 方法可以调节重新渲染,大幅提高网页性能。

其中最重要的,就是 window.requestAnimationFrame () 方法。它可以将某些代码放到下一次重新渲染时执行。

  1. function doubleHeight (element) { 
  2.   var currentHeight = element.clientHeight; 
  3.   element.style.height = (currentHeight * 2) + 'px'
  4. elements.forEach (doubleHeight); 

上面的代码使用循环操作,将每个元素的高度都增加一倍。可是,每次循环都是,读操作后面跟着一个写操作。这会在短时间内触发大量的重新渲染,显然对于网页性能很不利。

我们可以使用window.requestAnimationFrame (),让读操作和写操作分离,把所有的写操作放到下一次重新渲染。

  1. function doubleHeight (element) { 
  2.   var currentHeight = element.clientHeight; 
  3.   window.requestAnimationFrame (function () { 
  4.     element.style.height = (currentHeight * 2) + 'px'
  5.   }); 
  6. elements.forEach (doubleHeight); 

页面滚动事件(scroll)的监听函数,就很适合用 window.requestAnimationFrame () ,推迟到下一次重新渲染。

  1. $(window) .on ('scroll', function() { 
  2.    window.requestAnimationFrame (scrollHandler); 
  3. }); 

当然,最适用的场合还是网页动画。下面是一个旋转动画的例子,元素每一帧旋转 1 度。

  1. var rAF = window.requestAnimationFrame; 
  2.  
  3. var degrees = 0
  4. function update () { 
  5.   div.style.transform = "rotate (" + degrees + "deg)"
  6.   console.log ('updated to degrees ' + degrees); 
  7.   degrees = degrees + 1
  8.   rAF (update); 
  9. rAF (update); 

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八、window.requestIdleCallback ()

还有一个函数 window.requestIdleCallback (),也可以用来调节重新渲染。

它指定只有当一帧的末尾有空闲时间,才会执行回调函数。

  1. requestIdleCallback (fn); 

上面代码中,只有当前帧的运行时间小于 16.66ms 时,函数 fn 才会执行。否则,就推迟到下一帧,如果下一帧也没有空闲时间,就推迟到下下一帧,以此类推。

它还可以接受第二个参数,表示指定的毫秒数。如果在指定的这段时间之内,每一帧都没有空闲时间,那么函数 fn 将会强制执行。

  1. requestIdleCallback (fn, 5000); 

上面的代码表示,函数 fn 最迟会在 5000 毫秒之后执行。

函数 fn 可以接受一个 deadline 对象作为参数。

  1. requestIdleCallback (function someHeavyComputation (deadline) { 
  2.   while(deadline.timeRemaining () > 0) { 
  3.     doWorkIfNeeded (); 
  4.   } 
  5.  
  6.   if(thereIsMoreWorkToDo) { 
  7.     requestIdleCallback (someHeavyComputation); 
  8.   } 
  9. }); 

上面代码中,回调函数 someHeavyComputation 的参数是一个 deadline 对象。

deadline 对象有一个方法和一个属性:timeRemaining () 和 didTimeout。

(1)timeRemaining () 方法

timeRemaining () 方法返回当前帧还剩余的毫秒。这个方法只能读,不能写,而且会动态更新。因此可以不断检查这个属性,如果还有剩余时间的话,就不断执行某些任务。一旦这个属性等于0,就把任务分配到下一轮requestIdleCallback

前面的示例代码之中,只要当前帧还有空闲时间,就不断调用 doWorkIfNeeded 方法。一旦没有空闲时间,但是任务还没有全执行,就分配到下一轮requestIdleCallback

(2)didTimeout 属性

deadline 对象的 didTimeout 属性会返回一个布尔值,表示指定的时间是否过期。这意味着,如果回调函数由于指定时间过期而触发,那么你会得到两个结果。

  • timeRemaining 方法返回0

  • didTimeout 属性等于 true

因此,如果回调函数执行了,无非是两种原因:当前帧有空闲时间,或者指定时间到了。

  1. function myNonEssentialWork (deadline) { 
  2.   while ((deadline.timeRemaining () > 0 || deadline.didTimeout) && tasks.length > 0
  3.     doWorkIfNeeded (); 
  4.  
  5.   if (tasks.length > 0
  6.     requestIdleCallback (myNonEssentialWork); 
  7.  
  8. requestIdleCallback (myNonEssentialWork, 5000); 

上面代码确保了,doWorkIfNeeded 函数一定会在将来某个比较空闲的时间(或者在指定时间过期后)得到反复执行。

requestIdleCallback 是一个很新的函数,刚刚引入标准,目前只有 Chrome 支持。

九、参考链接

 

责任编辑:王雪燕 来源: 阮一峰的网络日志
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