CSS 與網路效能

挺長的一篇文章，比較全面地介紹了 CSS 載入的相關知識，由於譯者水平有限，有能力的同學建議直接看原文，同時也希望譯文對你有所幫助，謝謝~以下是正文：

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承蒙抬愛，我被稱為 CSS 魔術師已經十多年了，但最近在部落格上，CSS 相關的文章卻不多。那就結合 CSS 與效能這兩大主題，為大家帶來一篇文章吧。

CSS 是頁面渲染的關鍵因素之一，（當頁面存在外鏈 CSS 時，）瀏覽器會等待全部的 CSS 下載及解析完成後再渲染頁面。關鍵路徑上的任何延遲都會影響首屏時間，因而我們需要儘快地將 CSS 傳輸到使用者的裝置，否則，（在頁面渲染之前，）使用者只能看到一個空白的螢幕。

最大的問題是什麼？

廣義而言，CSS 是（渲染）效能的關鍵，這是由於：

1. 瀏覽器直到渲染樹構建完成後才會渲染頁面；
2. 渲染樹由 DOM 與 CSSOM 組合而成；
3. DOM 是 HTML 加上（同步）阻塞的 JavaScript 操作（DOM 後的）結果；
4. CSSOM 是 CSS 規則應用於 DOM 後的結果；
5. 使 JavaScript 非阻塞非常簡單，新增 async 或 defer 屬性即可；
6. 相對而言，要讓 CSS 變為非同步載入是比較困難的；
7. 所以記住這條經驗法則：（理想情況下，）最慢樣式表的下載時間決定了頁面渲染的時間。

基於上述考慮，我們需要儘快構建 DOM 與 CSSOM。一般情況下，DOM 的構建是相對較快，（當請求某個頁面時，）伺服器響應的首個請求是 HTML 文件。但一般 CSS 是作為 HTML 的子資源而存在，因此 CSSOM 的構建通常需要更長的時間。

在這篇文章中，會講述 CSS 為何是網路瓶頸（無論是對於它自己或是其他資源），該如何突破它，從而縮短關鍵路徑以減少首次渲染前的等待時間。

使用關鍵 CSS

如果條件允許，縮短渲染前等待時間最有效的方式就是使用 Critical CSS （關鍵 CSS）模式：找出首次渲染所需的樣式（通常是首屏相關的樣式），將它們內聯到 標籤中，其他樣式則通過非同步的方式進行載入。

雖然這十分有效，但實施起來卻並不容易，比如：高度動態化的網站（譯者注：如 SPA）通常難以提取首屏相關的樣式、提取的過程需要自動化、需要對首屏不同元素顯示或隱藏的狀態作出假設、某些邊界情況難以處理以及相關工具仍未成熟等問題。如果你的專案相當龐大或是有歷史包袱，這將變得更為複雜。

根據媒體型別拆分程式碼

如果在專案組難以執行關鍵 CSS 策略，可以嘗試根據媒體查詢拆分 CSS 檔案，這也是一種可靠的策略。執行此策略後，瀏覽器表現如下：

• 以非常高的優先順序下載符合當前上下文（裝置、螢幕尺寸、解析度、方向等）的 CSS 檔案，阻塞關鍵路徑；
• 以非常低的優先順序下載不符合當前上下文的 CSS 檔案，不會阻塞關鍵路徑。

瀏覽器基本上能將未命中媒體查詢的 CSS 檔案延遲下載。

如果我們把全部的 CSS 程式碼都放在一個檔案中，請求的表現如下：

我們可以觀察到，這個單獨的 CSS 檔案會以 最高 的優先順序下載。

根據媒體查詢拆分成若干個 CSS 檔案後：

瀏覽器會以不同的優先順序下載 CSS 檔案：

瀏覽器仍然會下載全部的 CSS 檔案，但只有符合當前上下文的 CSS 檔案會阻塞渲染。

避免在 CSS 檔案中使用 @import

為縮短渲染等待時間而努力的下一項任務非常簡單：避免在 CSS 檔案中使用 @import

如果瞭解 @import 的原理，那應該清楚它的效能並不高，使用它會阻塞渲染更長時間。這是因為我們在關鍵路徑上創造了更多（佇列式）的網路請求：

1. 下載 HTML；
2. 請求並下載依賴的 CSS；
   • （下載及解析完成後，本該是構造渲染樹，然而；）
3. CSS 依賴了其他的 CSS，繼續請求並下載 CSS 檔案；
4. 構造渲染樹。

以下是相關的案例：

all.css 的內容：

最終，瀏覽器的請求瀑布圖呈現為：

關鍵路徑上的 CSS 檔案並沒有並行下載。

通過將 @imports 請求的檔案改為 <link rel="stylesheet" />：

可以提高網路效能：

關鍵路徑上的 CSS 檔案是並行下載的。

在 HTML 中謹慎地使用 @import

為了透徹地理解本節的內容，首先我們需要了解瀏覽器的預載入掃描器：各大瀏覽器都實現了一個名為預載入掃描器的輔助解析器。瀏覽器的核心解析器主要用於構建 DOM、CSSOM、執行 JavaScript 等。HTML 文件中某些標籤與狀態會阻塞核心解析器，因而核心解析器的執行是斷斷續續的。而預載入掃描器可以跳到核心解析器尚未解析的部分，用以發現其他待引用的子資源（如 CSS、JS 檔案、圖片等）。一旦發現此類子資源，預載入掃描器會開始下載它們，以便核心解析器在解析到對應內容時就能使用它們（，而不是直到那一刻才開始下載該資源）。預載入掃描器的出現，使網頁的載入效能提高了19%，這是一項了不起的成就，可以極大地優化使用者體驗。

作為開發者，需要警惕預載入掃描器背後隱藏的問題，這在後文會進行闡述。

在 HTML 中使用 @import，在以 WebKit 與 Blink 為核心的瀏覽器中，可能會觸發它們預載入掃描器的 bug，在 Firefox 與 IE/Edge 中，則表現低效。

Firefox 與 IE / Edge：在 HTML 中將 @import 放在 JS 和 CSS 之前

在 Firefox 與 IE/Edge 中，預載入掃描器不會並行下載 <script src=""> 和 <link rel="stylesheet" /> 後 @imports 引用的資源。

這意味著如下的 HTML：

會出現這樣的請求瀑布圖:

由於預載入掃描器失效，導致資源在 Firefox 中無法並行下載（IE/Edge 中有著同樣的問題）。

通過上圖，可以清晰地觀察到：直到 JavaScript 檔案下載完成之後，@import 引用的 CSS 檔案才開始下載。

不單 <script> 標籤會觸發此問題，<link> 標籤也會：

修改後，瀏覽器表現更好：

瀏覽器並行下載資源，IE/Edge 表現相同。

以 Blink 或 WebKit 核心的瀏覽器：在 HTML 文件中使用 @import 時，要用引號包裹 url。

對於以 Blink 或 WebKit 為核心的瀏覽器而言，當 @import 引用的 url 未被引號包裹時，表現與 Firefox 和 IE/Edge 一致（無法並行下載）。這意味著上述兩個核心的預載入掃描器存在 bug。

因此，無需調整程式碼的順序，只需要新增引號即可解決問題。但我還是建議使用另一個 <link rel="stylesheet" /> 取代 @import。

未新增引號時的程式碼：

瀑布圖:

可以看到，缺失引號會破壞 Chrome 的預載入（Opera 與 Safari 表現也是如此。）

新增引號後的程式碼：

新增引號後，Chrome、Opera 和 Safari 的預載入掃描器表現恢復正常，

這絕對是 WebKit 與 Blink 核心的一個 bug，是否新增引號不應成為影響預載入掃描器的因素。

感謝 Yoav 幫我追蹤這個問題。

現在這個 bug 現已在 Chromium 的待修復列表中。

不要將動態插入 JavaScript 的程式碼放在<link rel="stylesheet" /> 之後

在上一節中，我們瞭解到某些引用 CSS 檔案路徑 的方法，會對其他資源的下載造成負面影響。在本節中，我們將探究為何稍有不慎，CSS 將延遲其他資源的下載。該問題主要出現在動態建立的<script> 標籤中：

所有瀏覽器都存在一個鮮為人知，但符合邏輯的現象，它會對效能造成很大的影響：

在瀏覽器下載完該 CSS 檔案之前，不會執行下面的 JS

從下面的瀑布圖可以看到，JavaScript 檔案在 CSSOM 構建完成之後才開始下載，完全失去了並行下載的優勢：

為了更安全地載入指令碼，第三方服務商經常提供這樣的程式碼片段。然而，開發者通常不信任第三方的程式碼，因而會把該片段放在頁面的最後，但這可能會導致不良的後果。事實上，Google Analytics （在文件中）對此的建議是：

將程式碼複製後，作為第一項貼上到待追蹤頁面的 中。

綜上，我的建議是：

如果 <script> 中的程式碼並不依賴 CSS，把它們放在樣式表之前。

調整一下程式碼：

假設：

• CSSOM 的構建會阻塞 CSS 後面同步 JS 的執行；
• 同步的 JS 會阻塞 DOM 的構建…

那如果 JS 並不依賴 CSSOM，以下那種情況會更快？

• script 在前 style 在後;
• style 在前 script 在後?

答案是：

如果 JS 檔案沒有依賴 CSS，你應該將 JS 程式碼放在樣式表之前。 既然沒有依賴，那就沒有任何理由阻塞 JavaScript 程式碼的執行。

（儘管執行 JavaScript 程式碼時會停止解析 DOM， 但預載入掃描器會提前下載之後的 CSS）

如果你一部分 JavaScript 需要依賴 CSS 而另一部分卻不用，最佳的實踐是將 JavaScript 分為兩部分，分別置於 CSS 的兩側：

根據這種組織方式，我們的頁面會按最佳的方式下載與執行相關程式碼。下面的截圖中，粉色代表 JS 的執行，但它們都比較“纖細”了，希望你能看得清楚。（第一欄的（下同））第一行是整個頁面的時間軸，留意該行粉色的部分，代表 JS 正在執行。第二行是首個 JS 檔案的時間軸，可以看到下載完後並立即執行。第三行是 CSS 的時間軸，因而沒有任何 JS 執行。最後一行是第二個 JS 檔案的時間軸，可以清晰地看到，直到 CSS 下載完成後才執行。

將 <link rel="stylesheet" /> 放在 <body> 中。

最後一條優化策略比較新穎，它對頁面效能有很大幫助，並使頁面達到逐步渲染的效果，同時易於執行。

在 HTTP/1.1 中，我們習慣於將全部的 css 打成一個檔案，如 app.css：

然而，從三方面而言，渲染效能降低了：

1. 每個頁面只用到 app.css 中的部分樣式： 使用者會下載多餘的 CSS。
2. 難以制定快取策略： 例如，某個頁面使用的日期選擇器更改了背景顏色，重新生成 app.css 後，舊的 app.css 快取將失效。
3. 整個 app.css 在解析構建完 CSSOM 之前，頁面渲染被阻塞： 儘管當前頁面可能只用到了 17% 的 CSS程式碼，但（瀏覽器）仍需等待其他 83% 的程式碼下載並解析完後，才能開始渲染。

使用 HTTP/2，可以解決第一與第二點：

根據頁面的不同元件下載不同的 CSS，能有效地解決冗餘問題。這減少了對關鍵路徑造成阻塞的 CSS 檔案總大小。

同時，我們可以制定更有效的快取策略，（當程式碼產生變化之後，）只會影響對應檔案的快取，其他的檔案保持不變。

但仍有解決的問題：下載並解析全部 CSS 檔案之前，頁面的渲染仍然是阻塞的。頁面的渲染時間仍然取決於最慢的 CSS 檔案下載與解析的時間。假設由於某種原因，頁尾的 CSS 下載需要很長時間，（即使頁頭的 CSSOM 已經構建完成，）瀏覽器也只能等待而無法渲染頁頭。

然而，這現象在 Chrome （v69）中得到緩解，Firefox 與 IE/Edge 也已經進行了相關的優化。<link rel="stylesheet" /> 只會阻塞後續內容，而不是整個頁面的渲染。這意味著我們可以用以下方式組織程式碼：

這樣的結果是我們能逐步渲染頁面，當前面的 CSS 可用時，頁面將呈現對應的內容（，而不需等待全部 CSS 下載並解析完畢）。

I如果瀏覽器不支援這種特性，也不會損害頁面的效能。整個頁面將回退為原來的模式，只有在最慢的 CSS 下載並解析完成後，才能渲染頁面。

有關這種特性的更多細節，建議閱讀這篇文章。

總結

本文內容比較 繁雜，成文後超出了本來的預期，嘗試總結了 CSS 載入相關的一系列的最佳實踐，值得仔細體會：

• 懶載入非關鍵 CSS：
  • 優先載入關鍵 CSS，懶載入其他 CSS；
  • 或根據媒體型別拆分 CSS 檔案。
• 避免使用 @import：
  • 在 HTML 文件中應該避免；
  • 在 CSS 檔案之中更應避免；
  • 以及警惕預載入掃描器的怪異行為。
• 關注 CSS 與 JavaScript 的順序：
  • 在 CSS 檔案後的 JavaScript 僅在 CSSOM 構建完成後才會執行；
  • 如果你的 JavaScript 不依賴 CSS；
    • 將它放置於 CSS 之前；
  • 如果 JavaScript 依賴 CSS：
    • 將它放置於 CSS 之後。
• 僅載入 DOM 依賴的 CSS：
  • 這將提高初次渲染的速度使讓頁面逐步渲染。

注意

本文敘述的內容都遵循規範或根據瀏覽器的行為推導得出，然而，你應該親自進行測試。儘管理論上是正確的，但在實踐中可能會有所不同。記得好好測試！

感謝

感謝 Yoav、 Andy 與 Ryan 在過去幾天對本文提出的意見與校對。