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网页性能管理详解

2016-08-09 14:56:21 更新

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，那么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。

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。


div.style.color = 'blue';
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。


div.style.color = 'blue';
var margin = parseInt(div.style.marginTop);
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。


// bad
div.style.left = div.offsetLeft + 10 + "px";
div.style.top = div.offsetTop + 10 + "px";

// good
var left = div.offsetLeft;
var top  = div.offsetTop;
div.style.left = left + 10 + "px";
div.style.top = top + 10 + "px";

一般的规则是：

样式表越简单，重排和重绘就越快。
重排和重绘的DOM元素层级越高，成本就越高。
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。


// bad
var left = 10;
var top = 10;
el.style.left = left + "px";
el.style.top  = top  + "px";

// good 
el.className += " theclassname";

// good
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的元素只对重绘有影响，不影响重排。

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）。

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。

如果想达到60帧的刷新率，就意味着JavaScript线程每个任务的耗时，必须少于16毫秒。一个解决办法是使用Web Worker，主线程只用于UI渲染，然后跟UI渲染不相干的任务，都放在Worker线程。

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。

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。


function doubleHeight(element) {
  var currentHeight = element.clientHeight;
  element.style.height = (currentHeight * 2) + 'px';
}
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。


function doubleHeight(element) {
  var currentHeight = element.clientHeight;
  window.requestAnimationFrame(function () {
    element.style.height = (currentHeight * 2) + 'px';
  });
}
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。


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

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。


var rAF = window.requestAnimationFrame;

var degrees = 0;
function update() {
  div.style.transform = "rotate(" + degrees + "deg)";
  console.log('updated to degrees ' + degrees);
  degrees = degrees + 1;
  rAF(update);
}
rAF(update);

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。


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。


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。


requestIdleCallback(function someHeavyComputation(deadline) {
  while(deadline.timeRemaining() > 0) {
    doWorkIfNeeded();
  }

  if(thereIsMoreWorkToDo) {
    requestIdleCallback(someHeavyComputation);
  }
});

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。


function myNonEssentialWork (deadline) {
  while ((deadline.timeRemaining() > 0 || deadline.didTimeout) && tasks.length > 0)
    doWorkIfNeeded();

  if (tasks.length > 0)
    requestIdleCallback(myNonEssentialWork);
}

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，不过其他浏览器可以用垫片库。

作者:阮一峰

九、参考链接

Domenico De Felice, How browsers work
Stoyan Stefanov, Rendering: repaint, reflow/relayout, restyle
Addy Osmani, Improving Web App Performance With the Chrome DevTools Timeline and Profiles
Tom Wiltzius, Jank Busting for Better Rendering Performance
Paul Lewis, Using requestIdleCallback

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