為什麼說JavaScript中的DOM操作很慢

leozdgao發表於2016-03-31
JavaScript

一直都聽說DOM很慢，要儘量少的去操作DOM，於是就想進一步去探究下為什麼大家都會這樣說，在網上學習了一些資料，這邊整理出來。

首先，DOM物件本身也是一個js物件，所以嚴格來說，並不是操作這個物件慢，而是說操作了這個物件後，會觸發一些瀏覽器行為，比如佈局（layout）和繪製（paint）。下面主要先介紹下這些瀏覽器行為，闡述一個頁面是怎麼最終被呈現出來的，另外還會從程式碼的角度，來說明一些不好的實踐以及一些優化方案。

瀏覽器是如何呈現一張頁面的

一個瀏覽器有許多模組，其中負責呈現頁面的是渲染引擎模組，比較熟悉的有WebKit和Gecko等，這裡也只會涉及這個模組的內容。

先用文字大致闡述下這個過程：

  • 解析HTML，並生成一棵DOM tree
  • 解析各種樣式並結合DOM tree生成一棵Render tree
  • 對Render tree的各個節點計算佈局資訊，比如box的位置與尺寸
  • 根據Render tree並利用瀏覽器的UI層進行繪製

其中DOM tree和Render tree上的節點並非一一對應，比如一個”display:none"的節點就只會存在於DOM tree上，而不會出現在Render tree上，因為這個節點不需要被繪製。

上圖是Webkit的基本流程，在術語上和Gecko可能會有不同，這裡貼上Gecko的流程圖，不過文章下面的內容都會統一使用Webkit的術語。

影響頁面呈現的因素有許多，比如link的位置會影響首屏呈現等。但這裡主要集中討論與layout相關的內容。

paint是一個耗時的過程，然而layout是一個更耗時的過程，我們無法確定layout一定是自上而下或是自下而上進行的，甚至一次layout會牽涉到整個文件佈局的重新計算。

但是layout是肯定無法避免的，所以我們主要是要最小化layout的次數。

什麼情況下瀏覽器會進行layout

在考慮如何最小化layout次數之前，要先了解什麼時候瀏覽器會進行layout。

layout（reflow）一般被稱為佈局，這個操作是用來計算文件中元素的位置和大小，是渲染前重要的一步。在HTML第一次被載入的時候，會有一次layout之外，js指令碼的執行和樣式的改變同樣會導致瀏覽器執行layout，這也是本文的主要要討論的內容。

一般情況下，瀏覽器的layout是lazy的，也就是說：在js指令碼執行時，是不會去更新DOM的，任何對DOM的修改都會被暫存在一個佇列中，在當前js的執行上下文完成執行後，會根據這個佇列中的修改，進行一次layout。

然而有時希望在js程式碼中立刻獲取最新的DOM節點資訊，瀏覽器就不得不提前執行layout，這是導致DOM效能問題的主因。

如下的操作會打破常規，並觸發瀏覽器執行layout：

  • 通過js獲取需要計算的DOM屬性
  • 新增或刪除DOM元素
  • resize瀏覽器視窗大小
  • 改變字型
  • css偽類的啟用，比如:hover
  • 通過js修改DOM元素樣式且該樣式涉及到尺寸的改變

我們來通過一個例子直觀的感受下：

// Read
var h1 = element1.clientHeight;

// Write (invalidates layout)
element1.style.height = (h1 * 2) + 'px';

// Read (triggers layout)
var h2 = element2.clientHeight;

// Write (invalidates layout)
element2.style.height = (h2 * 2) + 'px';

// Read (triggers layout)
var h3 = element3.clientHeight;

// Write (invalidates layout)
element3.style.height = (h3 * 2) + 'px';

clientHeight，這個屬性是需要計算得到的，於是就會觸發瀏覽器的一次layout。我們來利用chrome（v47.0）的開發者工具看下（截圖中的timeline record已經經過篩選，僅顯示layout）：

上面的例子中，程式碼首先修改了一個元素的樣式，接下來讀取另一個元素的clientHeight屬性，由於之前的修改導致當前DOM被標記為髒，為了保證能準確的獲取這個屬性，瀏覽器會進行一次layout（我們發現chrome的開發者工具良心的提示了我們這個效能問題）。

優化這段程式碼很簡單，預先讀取所需要的屬性，在一起修改即可。

// Read
var h1 = element1.clientHeight;  
var h2 = element2.clientHeight;  
var h3 = element3.clientHeight;

// Write (invalidates layout)
element1.style.height = (h1 * 2) + 'px';  
element2.style.height = (h2 * 2) + 'px';  
element3.style.height = (h3 * 2) + 'px';

看下這次的情況：

下面再介紹一些其他的優化方案。

最小化layout的方案

上面提到的一個批量讀寫是一個，主要是因為獲取一個需要計算的屬性值導致的，那麼哪些值是需要計算的呢？

這個連結裡有介紹大部分需要計算的屬性：http://gent.ilcore.com/2011/03/how-not-to-trigger-layout-in-webkit.html

再來看看別的情況：

面對一系列DOM操作

針對一系列DOM操作（DOM元素的增刪改），可以有如下方案：

  • documentFragment
  • display: none
  • cloneNode

比如（僅以documentFragment為例）：

var fragment = document.createDocumentFragment();  
for (var i=0; i < items.length; i++){  
  var item = document.createElement("li");
  item.appendChild(document.createTextNode("Option " + i);
  fragment.appendChild(item);
}
list.appendChild(fragment);

這類優化方案的核心思想都是相同的，就是先對一個不在Render tree上的節點進行一系列操作，再把這個節點新增回Render tree，這樣無論多麼複雜的DOM操作，最終都只會觸發一次layout。

面對樣式的修改

針對樣式的改變，我們首先需要知道並不是所有樣式的修改都會觸發layout，因為我們知道layout的工作是計算RenderObject的尺寸和大小資訊，那麼我如果只是改變一個顏色，是不會觸發layout的。

這裡有一個網站CSS triggers，詳細列出了各個CSS屬性對瀏覽器執行layout和paint的影響。

像下面這種情況，和上面講優化的部分是一樣的，注意下讀寫即可。

elem.style.height = "100px"; // mark invalidated  
elem.style.width = "100px";  
elem.style.marginRight = "10px";

elem.clientHeight // force layout here

但是要提一下動畫，這邊講的是js動畫，比如：

function animate (from, to) {  
  if (from === to) return

  requestAnimationFrame(function () {
    from += 5
    element1.style.height = from + "px"
    animate(from, to)
  })
}

animate(100, 500)

動畫的每一幀都會導致layout，這是無法避免的，但是為了減少動畫帶來的layout的效能損失，可以將動畫元素絕對定位，這樣動畫元素脫離文字流，layout的計算量會減少很多。

使用requestAnimationFrame

任何可能導致重繪的操作都應該放入requestAnimationFrame

在現實專案中，程式碼按模組劃分，很難像上例那樣組織批量讀寫。那麼這時可以把寫操作放在requestAnimationFrame的callback中，統一讓寫操作在下一次paint之前執行。

// Read
var h1 = element1.clientHeight;

// Write
requestAnimationFrame(function() {  
  element1.style.height = (h1 * 2) + 'px';
});

// Read
var h2 = element2.clientHeight;

// Write
requestAnimationFrame(function() {  
  element2.style.height = (h2 * 2) + 'px';
});

可以很清楚的觀察到Animation Frame觸發的時機，MDN上說是在paint之前觸發，不過我估計是在js指令碼交出控制權給瀏覽器進行DOM的invalidated check之前執行。

其他注意點

除了由於觸發了layout而導致效能問題外，這邊再列出一些其他細節：

快取選擇器的結果，減少DOM查詢。這裡要特別提下HTMLCollection。HTMLCollection是通過document.getElementByTagName得到的物件型別，和陣列型別很類似但是每次獲取這個物件的一個屬性，都相當於進行一次DOM查詢：

var divs = document.getElementsByTagName("div");  
for (var i = 0; i < divs.length; i++){  //infinite loop  
  document.body.appendChild(document.createElement("div"));
}

比如上面的這段程式碼會導致無限迴圈，所以處理HTMLCollection物件的時候要做些快取。

另外，減少DOM元素的巢狀深度並優化css，去除無用的樣式對減少layout的計算量有一定幫助。

在DOM查詢時，querySelector和querySelectorAll應該是最後的選擇，它們功能最強大，但執行效率很差，如果可以的話，儘量用其他方法替代。

下面兩個jsperf的連結，可以對比下效能。

1）https://jsperf.com/getelementsbyclassname-vs-queryselectorall/162

2）http://jsperf.com/getelementbyid-vs-queryselector/218

自己對View層的想法

上面的內容理論方面的東西偏多，從實踐的角度來看，上面討論的內容，正好是View層需要處理的事情。已經有一個庫FastDOM來做這個事情，不過它的程式碼是這樣的：

fastdom.read(function() {  
  console.log('read');
});

fastdom.write(function() {  
  console.log('write');
});

問題很明顯，會導致callback hell，並且也可以預見到像FastDOM這樣的imperative的程式碼缺乏擴充套件性，關鍵在於用了requestAnimationFrame後就變成了非同步程式設計的問題了。要讓讀寫狀態同步，那必然需要在DOM的基礎上寫個Wrapper來內部控制非同步讀寫，不過都到了這份上，感覺可以考慮直接上React了……

總之，儘量注意避免上面說到的問題，但如果用庫，比如jQuery的話，layout的問題出在庫本身的抽象上。像React引入自己的元件模型，用過virtual DOM來減少DOM操作，並可以在每次state改變時僅有一次layout，我不知道內部有沒有用requestAnimationFrame之類的，感覺要做好一個View層就挺有難度的，之後準備學學React的程式碼。希望自己一兩年後會過來再看這個問題的時候，可以有些新的見解。

參考

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