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提高Web页面性能的技巧

提高Web页面性能的技巧

2016/01/30 · HTML5,
JavaScript · 1
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性能

原文出处: w3cplus –
南北(@ping4god)
   

现在动辄几兆大小的页面加载量,让性能优化成了不可避免的热门话题。WEB
应用越流畅,用户体验就会越好,继而带来更多的访问量。这也就是说,我们应该反省一下那些过度美化的
CSS3 动画和多重操作的 DOM
元素是否都考虑到了在性能方面的影响。在说性能优化之前,我们有必要理清浏览器视觉绘制方面的两个术语:

  • Repaint(重绘):如果某些操作影响了 DOM
    元素的可见性,但又没有影响布局,那么就会发生浏览器的重绘,比如
    opacitybackground-color,visibilityoutline
    属性。由于浏览器必须检查 DOM
    中所有节点的可见性——某些图层或许会置于重绘元素的图层下面,所以重绘是一个非常繁重的逻辑。
  • Reflow(回流):回流是一个更具破坏性的操作,它会让浏览器重新计算所有元素的坐标位置和尺寸大小。往往由于一个元素的变化,继而引起其子元素、父元素以及相邻元素的变化。

不管用户或者应用本身是否正在执行某些逻辑,这两种操作都会阻塞浏览器进程。极端情况下,一个
CSS 效果会降低 JavaScript 的执行速度。下面是触发回流事件的几种情境:

  • 添加、删除和修改可见的 DOM 元素
  • 添加、删除和修改部分 CSS
    样式,比如修改元素的宽度,会影响其相邻元素的布局位置
  • CSS3 动画和过渡效果
  • 使用 offsetWidthoffsetHeight。这种情境很诡异,读取一个元素的
    offsetWidthoffsetHeight 属性会触发回流
  • 用户行为,比如鼠标悬停、输入文本、调整窗口大小、修改字体样式等等

浏览器的底层实现各有不同,所以渲染页面的开销也各有轻重。好在我们有一些通常规则可以进行性能优化。

回流和重绘可以说是每一个web开发者都经常听到的两个词语,可是可能有很多人不是很清楚这两步具体做了什么事情。最近有空对其进行了一些研究,看了一些博客和书籍,整理了一些内容并且结合一些例子,写了这篇文章,希望可以帮助到大家。阅读时间大约15~18min

使用最佳实践所建议的布局技巧

虽然已经是 2015 了,但我还是要说不要使用行内联样式和 table 布局。

HTML 文档下载完成后,行内样式会触发一次额外的回流事件。解析器在解析
table
布局时需要计算大量的单元格的尺寸,所以是件很重的操作。由于单元格往往是根据表头宽度确定的,所以使用
table-layout: fixed 可以缓解部分性能消耗。

使用 Flexbox 布局也存在性能损失,因为在页面加载完成后,flex item
可能会发生位置和尺寸的变化。

浏览器的渲染过程

精简 CSS 样式

样式越少,回流越快,此外,尽量不要使用过于复杂的选择器。这一问题尤其突出在使用类似
Bootstrap 框架的网站上。使用 Unused
CSS
,uCSS,grunt-uncss
gulp-uncss
等工具可以有效剔除无用样式。

本文先从浏览器的渲染过程来从头到尾的讲解一下回流重绘,如果大家想直接看如何减少回流和重绘,优化性能,可以跳到后面。(这个渲染过程来自MDN)

精简 DOM 层级

精简 DOM 层级,指的是减少 DOM 树的级数已经每一分支上 DOM
元素的数量,结果就是层级越少、数量越少,回流越快。此外,如果无需考虑旧版本浏览器,应该尽量剔除无意义的包裹类标签和层级。

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细粒度操作 DOM 树

操作 DOM 树时的粒度要尽可能细化,这有助于减弱局部 DOM
变化给整体带来的影响。

从上面这个图上,我们可以看到,浏览器渲染过程如下:

从文档流中移除复杂的动画效果

应该确保使用动画的元素脱离了文档流,使用 position: absolute
position: fixed
属性脱离文档流的元素会被浏览器创建一个新层来存放,这些图层上的修改不会影响其他图层上的元素。

解析HTML,生成DOM树,解析CSS,生成CSSOM树

巧用隐藏方式

使用 display: none;
隐藏的元素不会触发页面的重绘和回流事件,所以可以在这些元素隐藏期间配置样式,配置完成后再转换为可见状态。

将DOM树和CSSOM树结合,生成渲染树(Render Tree)

批量更新元素

单词更新所有 DOM
元素的性能要优于多次更新。下面这段代码触发了三次页面回流:

var myelement = document.getElementById(‘myelement’); myelement.width =
‘100px’; myelement.height = ‘200px’; myelement.style.margin = ’10px’;

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var myelement = document.getElementById(‘myelement’);
myelement.width = ‘100px’;
myelement.height = ‘200px’;
myelement.style.margin = ’10px’;

通过以下代码可以精简为一次页面回流事件,并且提高了代码的可维护性:

var myelement = document.getElementById(‘myelement’);
myelement.classList.add(‘newstyles’); .newstyles { width: 100px; height:
200px; margin: 10px; }

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var myelement = document.getElementById(‘myelement’);
myelement.classList.add(‘newstyles’);
 
.newstyles {
    width: 100px;
    height: 200px;
    margin: 10px;
}

同理,我们还可以减少操作 DOM
的频率。假设我们要创建一个如下所示的无序列表:

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如果分次添加每一个 item 将会触发多次页面回流,简单而高效的方式是使用 DOM
fargment 在内存中创建完整的 DOM 节点,然后一次性添加到 DOM 中:

var i, li, frag = document.createDocumentFragment(), ul =
frag.appendChild(document.createElement(‘ul’)); for (i = 1; i <= 3;
i++) { li = ul.appendChild(document.createElement(‘li’)); li.textContent
= ‘item ‘ + i; } document.body.appendChild(frag);

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var
    i, li,
    frag = document.createDocumentFragment(),
    ul = frag.appendChild(document.createElement(‘ul’));
 
for (i = 1; i <= 3; i++) {
    li = ul.appendChild(document.createElement(‘li’));
    li.textContent = ‘item ‘ + i;
}
 
document.body.appendChild(frag);

Layout:根据生成的渲染树,进行回流,得到节点的几何信息

约束元素变化的影响

这里的约束是指,尽量避免某个元素的变化引起大范围的变化。假设我们有一个
tab
选项卡的组件,选项卡内部的内容长短不一,这就导致了每个选项卡的高度不唯一。这一设计带来的问题就是每次切换选项卡时,周围的元素都要重新布局。我们可以通过一个固定高度来避免这一情况。

Painting:根据渲染树以及回流得到的几何信息,得到节点的绝对像素

权衡流畅度和性能

一次移动一像素的位置看起来虽然很流畅,但对于某些低性能终端会是很大的压力。一次移动四像素降低帧速虽然看起来稍有些迟钝,但性能压力降低了。这就是需要我们权衡的地方:流畅度和性能。

Display:将像素发送给GPU,展示在页面上。(这一步其实还有很多内容,比如会在GPU将多个合成层合并为同一个层,并展示在页面中。而css3硬件加速的原理则是新建合成层,这里我们不展开,之后有机会会写一篇博客)

使用开发者工具分析页面重绘

目前主流浏览器都在开发者工具中提供了监控页面重绘的功能。在 Blink/Webkit
内核的浏览器中,使用 Timeline 面板可以记录一个页面活动详情:

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下面是火狐开发者工具中的 TimeLine:

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在 IE 中这个功能被放置在了 UI Responsiveness 面板中:

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所有的浏览器都使用绿色来显示页面重绘和页面回流事件。上面的测试只是几个简单的示例,其中没有调用繁重的动画效果,所以布局渲染在总时间中占据了较大比重。减少页面回流和页面重绘,自然提高页面性能。

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渲染过程看起来很简单,让我们来具体了解下每一步具体做了什么。

生成渲染树

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为了构建渲染树,浏览器主要完成了以下工作:

从DOM树的根节点开始遍历每个可见节点。

对于每个可见的节点,找到CSSOM树中对应的规则,并应用它们。

根据每个可见节点以及其对应的样式,组合生成渲染树。

第一步中,既然说到了要遍历可见的节点,那么我们得先知道,什么节点是不可见的。不可见的节点包括:

一些不会渲染输出的节点,比如script、meta、link等。

一些通过css进行隐藏的节点。比如display:none。注意,利用visibility和opacity隐藏的节点,还是会显示在渲染树上的。只有display:none的节点才不会显示在渲染树上。

从上面的例子来讲,我们可以看到span标签的样式有一个display:none,因此,它最终并没有在渲染树上。

注意:渲染树只包含可见的节点

回流

前面我们通过构造渲染树,我们将可见DOM节点以及它对应的样式结合起来,可是我们还需要计算它们在设备视口内的确切位置和大小,这个计算的阶段就是回流。

为了弄清每个对象在网站上的确切大小和位置,浏览器从渲染树的根节点开始遍历,我们可以以下面这个实例来表示:

<!DOCTYPE html>

<html>

<head>

<meta name=”viewport”
content=”width=device-width,initial-scale=1″>

<title>Critial Path: Hello world!</title>

</head>

<body>

<div style=”width: 50%”>

<div style=”width: 50%”>Hello world!</div>

</div>

</body>

</html>

我们可以看到,第一个div将节点的显示尺寸设置为视口宽度的50%,第二个div将其尺寸设置为父节点的50%。而在回流这个阶段,我们就需要根据视口具体的宽度,将其转为实际的像素值。

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重绘

最终,我们通过构造渲染树和回流阶段,我们知道了哪些节点是可见的,以及可见节点的样式和具体的几何信息,那么我们就可以将渲染树的每个节点都转换为屏幕上的实际像素,这个阶段就叫做重绘节点。

既然知道了浏览器的渲染过程后,我们就来探讨下,何时会发生回流重绘。

何时发生回流重绘

我们前面知道了,回流这一阶段主要是计算节点的位置和几何信息,那么当页面布局和几何信息发生变化的时候,就需要回流。比如以下情况:

添加或删除可见的DOM元素

元素的位置发生变化

元素的尺寸发生变化(包括外边距、内边框、边框大小、高度和宽度等)

内容发生变化,比如文本变化或图片被另一个不同尺寸的图片所替代。

页面一开始渲染的时候

浏览器的窗口尺寸变化(因为回流是根据视口的大小来计算元素的位置和大小的)

注意:回流一定会触发重绘,而重绘不一定会回流

根据改变的范围和程度,渲染树中或大或小的部分需要重新计算,有些改变会触发整个页面的重排,比如,滚动条出现的时候或者修改了根节点。

浏览器的优化机制

现代的浏览器都是很聪明的,由于每次重排都会造成额外的计算消耗,因此大多数浏览器都会通过队列化修改并批量执行来优化重排过程。浏览器会将修改操作放入到队列里,直到过了一段时间或者操作达到了一个阈值,才清空队列。但是!当你获取布局信息的操作的时候,会强制队列刷新,比如当你访问以下属性或者使用以下方法:

offsetTop、offsetLeft、offsetWidth、offsetHeight

scrollTop、scrollLeft、scrollWidth、scrollHeight

clientTop、clientLeft、clientWidth、clientHeight

getComputedStyle()

getBoundingClientRect

以上属性和方法都需要返回最新的布局信息,因此浏览器不得不清空队列,触发回流重绘来返回正确的值。因此,我们在修改样式的时候,**最好避免使用上面列出的属性,他们都会刷新渲染队列。**如果要使用它们,最好将值缓存起来。

减少回流和重绘

好了,到了我们今天的重头戏,前面说了这么多背景和理论知识,接下来让我们谈谈如何减少回流和重绘。

最小化重绘和重排

由于重绘和重排可能代价比较昂贵,因此最好就是可以减少它的发生次数。为了减少发生次数,我们可以合并多次对DOM和样式的修改,然后一次处理掉。考虑这个例子

const el = document.getElementById;

el.style.padding = ‘5px’;

el.style.borderLeft = ‘1px’;

el.style.borderRight = ‘2px’;

例子中,有三个样式属性被修改了,每一个都会影响元素的几何结构,引起回流。当然,大部分现代浏览器都对其做了优化,因此,只会触发一次重排。但是如果在旧版的浏览器或者在上面代码执行的时候,有其他代码访问了布局信息(上文中的会触发回流的布局信息),那么就会导致三次重排。

因此,我们可以合并所有的改变然后依次处理,比如我们可以采取以下的方式:

使用cssText

const el = document.getElementById;

el.style.cssText += ‘border-left: 1px; border-right: 2px; padding:
5px;’;

修改CSS的class

const el = document.getElementById;

el.className += ‘ active’;

批量修改DOM

当我们需要对DOM对一系列修改的时候,可以通过以下步骤减少回流重绘次数:

使元素脱离文档流

对其进行多次修改

将元素带回到文档中。

该过程的第一步和第三步可能会引起回流,但是经过第一步之后,对DOM的所有修改都不会引起回流重绘,因为它已经不在渲染树了。

有三种方式可以让DOM脱离文档流:

隐藏元素,应用修改,重新显示

使用文档片段(document
fragment)在当前DOM之外构建一个子树,再把它拷贝回文档。

将原始元素拷贝到一个脱离文档的节点中,修改节点后,再替换原始的元素。

考虑我们要执行一段批量插入节点的代码:

function appendDataToElement(appendToElement, data) {

let li;

for (let i = 0; i < data.length; i++) {

li = document.createElement;

li.textContent = ‘text’;

appendToElement.appendChild;

}

}

const ul = document.getElementById;

appendDataToElement;

如果我们直接这样执行的话,由于每次循环都会插入一个新的节点,会导致浏览器回流一次。

我们可以使用这三种方式进行优化:

隐藏元素,应用修改,重新显示

这个会在展示和隐藏节点的时候,产生两次回流

function appendDataToElement(appendToElement, data) {

let li;

for (let i = 0; i < data.length; i++) {

li = document.createElement;

li.textContent = ‘text’;

appendToElement.appendChild;

}

}

const ul = document.getElementById;

ul.style.display = ‘none’;

appendDataToElement;

ul.style.display = ‘block’;

使用文档片段(document
fragment)在当前DOM之外构建一个子树,再把它拷贝回文档

const ul = document.getElementById;

const fragment = document.createDocumentFragment();

appendDataToElement(fragment, data);

ul.appendChild;

将原始元素拷贝到一个脱离文档的节点中,修改节点后,再替换原始的元素。

const ul = document.getElementById;

const clone = ul.cloneNode;

appendDataToElement(clone, data);

ul.parentNode.replaceChild(clone, ul);

对于上面这三种情况,我写了一个demo在safari和chrome上测试修改前和修改后的性能。然而实验结果不是很理想。

原因:原因其实上面也说过了,现代浏览器会使用队列来储存多次修改,进行优化,所以对这个优化方案,我们其实不用优先考虑。

避免触发同步布局事件

上文我们说过,当我们访问元素的一些属性的时候,会导致浏览器强制清空队列,进行强制同步布局。举个例子,比如说我们想将一个p标签数组的宽度赋值为一个元素的宽度,我们可能写出这样的代码:

function initP() {

for (let i = 0; i < paragraphs.length; i++) {

paragraphs[i].style.width = box.offsetWidth + ‘px’;

}

}

这段代码看上去是没有什么问题,可是其实会造成很大的性能问题。在每次循环的时候,都读取了box的一个offsetWidth属性值,然后利用它来更新p标签的width属性。这就导致了每一次循环的时候,浏览器都必须先使上一次循环中的样式更新操作生效,才能响应本次循环的样式读取操作。每一次循环都会强制浏览器刷新队列。我们可以优化为:

const width = box.offsetWidth;

function initP() {

for (let i = 0; i < paragraphs.length; i++) {

paragraphs[i].style.width = width + ‘px’;

}

}

同样,我也写了个demo来比较两者的性能差异。你可以自己点开这个demo体验下。这个对比的性能差距就比较明显。

对于复杂动画效果,使用绝对定位让其脱离文档流

对于复杂动画效果,由于会经常的引起回流重绘,因此,我们可以使用绝对定位,让它脱离文档流。否则会引起父元素以及后续元素频繁的回流。这个我们就直接上个例子。

打开这个例子后,我们可以打开控制台,控制台上会输出当前的帧数。

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从上图中,我们可以看到,帧数一直都没到60。这个时候,只要我们点击一下那个按钮,把这个元素设置为绝对定位,帧数就可以稳定60。

css3硬件加速

比起考虑如何减少回流重绘,我们更期望的是,根本不要回流重绘。这个时候,css3硬件加速就闪亮登场啦!!

划重点:

1.
使用css3硬件加速,可以让transform、opacity、filters这些动画不会引起回流重绘

2.
对于动画的其它属性,比如background-color这些,还是会引起回流重绘的,不过它还是可以提升这些动画的性能。

本篇文章只讨论如何使用,暂不考虑其原理,之后有空会另外开篇文章说明。

如何使用

常见的触发硬件加速的css属性:

transform

opacity

filters

Will-change

效果

我们可以先看个例子。我通过使用chrome的Performance捕获了动画一段时间里的回流重绘情况,实际结果如下图:

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从图中我们可以看出,在动画进行的时候,没有发生任何的回流重绘。如果感兴趣你也可以自己做下实验。

重点

使用css3硬件加速,可以让transform、opacity、filters这些动画不会引起回流重绘

对于动画的其它属性,比如background-color这些,还是会引起回流重绘的,不过它还是可以提升这些动画的性能。

css3硬件加速的坑

当然,任何美好的东西都是会有对应的代价的,过犹不及。css3硬件加速还是有坑的:

如果你为太多元素使用css3硬件加速,会导致内存占用较大,会有性能问题。

在GPU渲染字体会导致抗锯齿无效。这是因为GPU和CPU的算法不同。因此如果你不在动画结束的时候关闭硬件加速,会产生字体模糊。

总结

本文主要讲了浏览器的渲染过程、浏览器的优化机制以及如何减少甚至避免回流和重绘,希望可以帮助大家更好的理解回流重绘。

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