網頁效能管理詳解

阮一峰發表於2015-09-17
網頁

你遇到過效能很差的網頁嗎？

這種網頁響應非常緩慢，佔用大量的CPU和記憶體，瀏覽起來常常有卡頓，頁面的動畫效果也不流暢。

你會有什麼反應？我猜想，大多數使用者會關閉這個頁面，改為訪問其他網站。作為一個開發者，肯定不願意看到這種情況，那麼怎樣才能提高效能呢？

本文將詳細介紹效能問題的出現原因，以及解決方法。

一、網頁生成的過程

要理解網頁效能為什麼不好，就要了解網頁是怎麼生成的。

網頁的生成過程，大致可以分成五步。

  1. HTML程式碼轉化成DOM
  2. CSS程式碼轉化成CSSOM（CSS Object Model）
  3. 結合DOM和CSSOM，生成一棵渲染樹（包含每個節點的視覺資訊）
  4. 生成佈局（layout），即將所有渲染樹的所有節點進行平面合成
  5. 將佈局繪製（paint）在螢幕上

這五步裡面，第一步到第三步都非常快，耗時的是第四步和第五步。

"生成佈局"（flow）和"繪製"（paint）這兩步，合稱為"渲染"（render）。

二、重排和重繪

網頁生成的時候，至少會渲染一次。使用者訪問的過程中，還會不斷重新渲染。

以下三種情況，會導致網頁重新渲染。

  • 修改DOM
  • 修改樣式表
  • 使用者事件（比如滑鼠懸停、頁面滾動、輸入框鍵入文字、改變視窗大小等等）

重新渲染，就需要重新生成佈局和重新繪製。前者叫做"重排"（reflow），後者叫做"重繪"（repaint）。

需要注意的是，"重繪"不一定需要"重排"，比如改變某個網頁元素的顏色，就只會觸發"重繪"，不會觸發"重排"，因為佈局沒有改變。但是，"重排"必然導致"重繪"，比如改變一個網頁元素的位置，就會同時觸發"重排"和"重繪"，因為佈局改變了。

三、對於效能的影響

重排和重繪會不斷觸發，這是不可避免的。但是，它們非常耗費資源，是導致網頁效能低下的根本原因。

提高網頁效能，就是要降低"重排"和"重繪"的頻率和成本，儘量少觸發重新渲染。

前面提到，DOM變動和樣式變動，都會觸發重新渲染。但是，瀏覽器已經很智慧了，會盡量把所有的變動集中在一起，排成一個佇列，然後一次性執行，儘量避免多次重新渲染。


div.style.color = 'blue';
div.style.marginTop = '30px';

上面程式碼中，div元素有兩個樣式變動，但是瀏覽器只會觸發一次重排和重繪。

如果寫得不好，就會觸發兩次重排和重繪。


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

上面程式碼對div元素設定背景色以後，第二行要求瀏覽器給出該元素的位置，所以瀏覽器不得不立即重排。

一般來說，樣式的寫操作之後，如果有下面這些屬性的讀操作，都會引發瀏覽器立即重新渲染。

  • offsetTop/offsetLeft/offsetWidth/offsetHeight
  • scrollTop/scrollLeft/scrollWidth/scrollHeight
  • clientTop/clientLeft/clientWidth/clientHeight
  • getComputedStyle()

所以，從效能角度考慮，儘量不要把讀操作和寫操作，放在一個語句裡面。


// 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";

一般的規則是：

  • 樣式表越簡單，重排和重繪就越快。
  • 重排和重繪的DOM元素層級越高，成本就越高。
  • table元素的重排和重繪成本，要高於div元素

四、提高效能的九個技巧

有一些技巧，可以降低瀏覽器重新渲染的頻率和成本。

第一條是上一節說到的，DOM 的多個讀操作（或多個寫操作），應該放在一起。不要兩個讀操作之間，加入一個寫操作。

第二條，如果某個樣式是透過重排得到的，那麼最好快取結果。避免下一次用到的時候，瀏覽器又要重排。

第三條，不要一條條地改變樣式，而要透過改變class，或者csstext屬性，一次性地改變樣式。


// 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;";

第四條，儘量使用離線DOM，而不是真實的網面DOM，來改變元素樣式。比如，操作Document Fragment物件，完成後再把這個物件加入DOM。再比如，使用 cloneNode() 方法，在克隆的節點上進行操作，然後再用克隆的節點替換原始節點。

第五條，先將元素設為display: none（需要1次重排和重繪），然後對這個節點進行100次操作，最後再恢復顯示（需要1次重排和重繪）。這樣一來，你就用兩次重新渲染，取代了可能高達100次的重新渲染。

第六條，position屬性為absolute或fixed的元素，重排的開銷會比較小，因為不用考慮它對其他元素的影響。

第七條，只在必要的時候，才將元素的display屬性為可見，因為不可見的元素不影響重排和重繪。另外，visibility : hidden的元素只對重繪有影響，不影響重排。

第八條，使用虛擬DOM的指令碼庫，比如React等。

第九條，使用 window.requestAnimationFrame()、window.requestIdleCallback() 這兩個方法調節重新渲染（詳見後文）。

五、重新整理率

很多時候，密集的重新渲染是無法避免的，比如scroll事件的回撥函式和網頁動畫。

網頁動畫的每一幀（frame）都是一次重新渲染。每秒低於24幀的動畫，人眼就能感受到停頓。一般的網頁動畫，需要達到每秒30幀到60幀的頻率，才能比較流暢。如果能達到每秒70幀甚至80幀，就會極其流暢。

大多數顯示器的重新整理頻率是60Hz，為了與系統一致，以及節省電力，瀏覽器會自動按照這個頻率，重新整理動畫（如果可以做到的話）。

所以，如果網頁動畫能夠做到每秒60幀，就會跟顯示器同步重新整理，達到最佳的視覺效果。這意味著，一秒之內進行60次重新渲染，每次重新渲染的時間不能超過16.66毫秒。

一秒之間能夠完成多少次重新渲染，這個指標就被稱為"重新整理率"，英文為FPS（frame per second）。60次重新渲染，就是60FPS。

如果想達到60幀的重新整理率，就意味著JavaScript執行緒每個任務的耗時，必須少於16毫秒。一個解決辦法是使用Web Worker，主執行緒只用於UI渲染，然後跟UI渲染不相干的任務，都放在Worker執行緒。

六、開發者工具的Timeline皮膚

Chrome瀏覽器開發者工具的Timeline皮膚，是檢視"重新整理率"的最佳工具。這一節介紹如何使用這個工具。

首先，按下 F12 開啟"開發者工具"，切換到Timeline皮膚。

左上角有一個灰色的圓點，這是錄製按鈕，按下它會變成紅色。然後，在網頁上進行一些操作，再按一次按鈕完成錄製。

Timeline皮膚提供兩種檢視方式：橫條的是"事件模式"（Event Mode），顯示重新渲染的各種事件所耗費的時間；豎條的是"幀模式"（Frame Mode），顯示每一幀的時間耗費在哪裡。

先看"事件模式"，你可以從中判斷，效能問題發生在哪個環節，是JavaScript的執行，還是渲染？

不同的顏色表示不同的事件。

  • 藍色：網路通訊和HTML解析
  • 黃色：JavaScript執行
  • 紫色：樣式計算和佈局，即重排
  • 綠色：重繪

哪種色塊比較多，就說明效能耗費在那裡。色塊越長，問題越大。

幀模式（Frames mode）用來檢視單個幀的耗時情況。每幀的色柱高度越低越好，表示耗時少。

你可以看到，幀模式有兩條水平的參考線。

下面的一條是60FPS，低於這條線，可以達到每秒60幀；上面的一條是30FPS，低於這條線，可以達到每秒30次渲染。如果色柱都超過30FPS，這個網頁就有效能問題了。

此外，還可以檢視某個區間的耗時情況。

或者點選每一幀，檢視該幀的時間構成。

七、window.requestAnimationFrame()

有一些JavaScript方法可以調節重新渲染，大幅提高網頁效能。

其中最重要的，就是 window.requestAnimationFrame() 方法。它可以將某些程式碼放到下一次重新渲染時執行。


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

上面的程式碼使用迴圈操作，將每個元素的高度都增加一倍。可是，每次迴圈都是，讀操作後面跟著一個寫操作。這會在短時間內觸發大量的重新渲染，顯然對於網頁效能很不利。

我們可以使用window.requestAnimationFrame()，讓讀操作和寫操作分離，把所有的寫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);

頁面滾動事件（scroll）的監聽函式，就很適合用 window.requestAnimationFrame() ，推遲到下一次重新渲染。


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

當然，最適用的場合還是網頁動畫。下面是一個旋轉動畫的例子，元素每一幀旋轉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()

還有一個函式window.requestIdleCallback()，也可以用來調節重新渲染。

它指定只有當一幀的末尾有空閒時間，才會執行回撥函式。


requestIdleCallback(fn);

上面程式碼中，只有當前幀的執行時間小於16.66ms時，函式fn才會執行。否則，就推遲到下一幀，如果下一幀也沒有空閒時間，就推遲到下下一幀，以此類推。

它還可以接受第二個引數，表示指定的毫秒數。如果在指定 的這段時間之內，每一幀都沒有空閒時間，那麼函式fn將會強制執行。


requestIdleCallback(fn, 5000);

上面的程式碼表示，函式fn最遲會在5000毫秒之後執行。

函式 fn 可以接受一個 deadline 物件作為引數。


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

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

上面程式碼中，回撥函式 someHeavyComputation 的引數是一個 deadline 物件。

deadline物件有一個方法和一個屬性：timeRemaining() 和 didTimeout。

（1）timeRemaining() 方法

timeRemaining() 方法返回當前幀還剩餘的毫秒。這個方法只能讀，不能寫，而且會動態更新。因此可以不斷檢查這個屬性，如果還有剩餘時間的話，就不斷執行某些任務。一旦這個屬性等於0，就把任務分配到下一輪requestIdleCallback。

前面的示例程式碼之中，只要當前幀還有空閒時間，就不斷呼叫doWorkIfNeeded方法。一旦沒有空閒時間，但是任務還沒有全執行，就分配到下一輪requestIdleCallback。

（2）didTimeout屬性

deadline物件的 didTimeout 屬性會返回一個布林值，表示指定的時間是否過期。這意味著，如果回撥函式由於指定時間過期而觸發，那麼你會得到兩個結果。

  • timeRemaining方法返回0
  • didTimeout 屬性等於 true

因此，如果回撥函式執行了，無非是兩種原因：當前幀有空閒時間，或者指定時間到了。


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

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

requestIdleCallback(myNonEssentialWork, 5000);

上面程式碼確保了，doWorkIfNeeded 函式一定會在將來某個比較空閒的時間（或者在指定時間過期後）得到反覆執行。

requestIdleCallback 是一個很新的函式，剛剛引入標準，目前只有Chrome支援，不過其他瀏覽器可以用墊片庫。

九、參考連結

（完）

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