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

1、什么是重排和重绘

浏览器下载完页面中的所有组件——HTML标记、JavaScript、CSS、图片之后会解析生成两个内部数据结构——DOM树
和渲染树

DOM树表示页面结构,渲染树表示DOM节点如何显示。DOM树中的每一个需要显示的节点在渲染树种至少存在一个对应的节点(隐藏的DOM元素disply值为none
在渲染树中没有对应的节点)。渲染树中的节点被称为“帧”或“盒”,符合CSS模型的定义,理解页面元素为一个具有填充,边距,边框和位置的盒子。一旦DOM和渲染树构建完成,浏览器就开始显示(绘制)页面元素。
当DOM的变化影响了元素的几何属性(宽或高),浏览器需要重新计算元素的几何属性,同样其他元素的几何属性和位置也会因此受到影响。浏览器会使渲染树中受到影响的部分失效,并重新构造渲染树。这个过程称为重排。完成重排后,浏览器会重新绘制受影响的部分到屏幕,该过程称为重绘。由于浏览器的流布局,对渲染树的计算通常只需要遍历一次就可以完成。但table及其内部元素除外,它可能需要多次计算才能确定好其在渲染树中节点的属性,通常要花3倍于同等元素的时间。这也是为什么我们要避免使用table做布局的一个原因。
并不是所有的DOM变化都会影响几何属性,比如改变一个元素的背景色并不会影响元素的宽和高,这种情况下只会发生重绘。
2、重排和重绘的代价究竟多大
重排和重绘的代价有多大?我们再回到前文那个过桥的例子上,细心的你可能会发现了,千倍的时间差并不是由于“过桥”一手造成的,每次“过桥”其实都伴随着重排和重绘,而耗能的绝大部分也正是在这里!
复制代码var times = 15000;// code1
每次过桥+重排+重绘console.time(1);for(var i = 0; i < times; i++) {
document.getElementById(‘myDiv1’).innerHTML +=
‘a’;}console.timeEnd(1);// code2 只过桥console.time(2);var str =
”;for(var i = 0; i < times; i++) { var tmp =
document.getElementById(‘myDiv2’).innerHTML; str +=
‘a’;}document.getElementById(‘myDiv2’).innerHTML =
str;console.timeEnd(2);// code3 console.time(3);var _str = ”;for(var i
= 0; i < times; i++) { _str +=
‘a’;}document.getElementById(‘myDiv3’).innerHTML =
_str;console.timeEnd(3);// 1: 2874.619ms// 2: 11.154ms// 3: 1.282ms

数据是不会撒谎的,看到了吧,多次访问DOM对于重排和重绘来说,耗时简直不值一提了。
3、重排何时发生
很显然,每次重排,必然会导致重绘,那么,重排会在哪些情况下发生?
添加或者删除可见的DOM元素
元素位置改变
元素尺寸改变
元素内容改变(例如:一个文本被另一个不同尺寸的图片替代)
页面渲染初始化(这个无法避免)
浏览器窗口尺寸改变

这些都是显而易见的,或许你已经有过这样的体会,不间断地改变浏览器窗口大小,导致UI反应迟钝(某些低版本IE下甚至直接挂掉),现在你可能恍然大悟,没错,正是一次次的重排重绘导致的!
4、渲染树变化的排队和刷新
思考下面代码:
复制代码var ele = document.getElementById(‘myDiv’);ele.style.borderLeft
= ‘1px’;ele.style.borderRight = ‘2px’;ele.style.padding = ‘5px’;

乍一想,元素的样式改变了三次,每次改变都会引起重排和重绘,所以总共有三次重排重绘过程,但是浏览器并不会这么笨,它会把三次修改“保存”起来(大多数浏览器通过队列化修改并批量执行来优化重排过程),一次完成!但是,有些时候你可能会(经常是不知不觉)强制刷新队列并要求计划任务立即执行。获取布局信息的操作会导致队列刷新,比如:
offsetTop, offsetLeft, offsetWidth, offsetHeight
scrollTop, scrollLeft, scrollWidth, scrollHeight
clientTop, clientLeft, clientWidth, clientHeight
getComputedStyle() (currentStyle in IE)

将上面的代码稍加修改:
复制代码var ele = document.getElementById(‘myDiv’);ele.style.borderLeft
= ‘1px’;ele.style.borderRight = ‘2px’;// here use offsetHeight//
…ele.style.padding = ‘5px’;

因为offsetHeight属性需要返回最新的布局信息,因此浏览器不得不执行渲染队列中的“待处理变化”并触发重排以返回正确的值(即使队列中改变的样式属性和想要获取的属性值并没有什么关系),所以上面的代码,前两次的操作会缓存在渲染队列中待处理,但是一旦offsetHeight属性被请求了,队列就会立即执行,所以总共有两次重排与重绘。所以尽量不要在布局信息改变时做查询
5、最小化重排和重绘
我们还是看上面的这段代码:
复制代码var ele = document.getElementById(‘myDiv’);ele.style.borderLeft
= ‘1px’;ele.style.borderRight = ‘2px’;ele.style.padding = ‘5px’;

三个样式属性被改变,每一个都会影响元素的几何结构,虽然大部分现代浏览器都做了优化,只会引起一次重排,但是像上文一样,如果一个及时的属性被请求,那么就会强制刷新队列,而且这段代码四次访问DOM,一个很显然的优化策略就是把它们的操作合成一次,这样只会修改DOM一次:
复制代码var ele = document.getElementById(‘myDiv’);// 1.
重写styleele.style.cssText = ‘border-left: 1px; border-right: 2px;
padding: 5px;’;// 2. add styleele.style.cssText += ‘border-;eft: 1px;’//

  1. use classele.className = ‘active’;

6、fragment元素的应用
看如下代码,考虑一个问题:
复制代码<ul id=’fruit’> <li> apple </li> <li>
orange </li></ul>

如果代码中要添加内容为peach、watermelon两个选项,你会怎么做?
复制代码var lis = document.getElementById(‘fruit’);var li =
document.createElement(‘li’);li.innerHTML =
‘apple’;lis.appendChild(li);var li =
document.createElement(‘li’);li.innerHTML =
‘watermelon’;lis.appendChild(li);

很容易想到如上代码,但是很显然,重排了两次,怎么破?前面我们说了,隐藏的元素不在渲染树中,太棒了,我们可以先把id为fruit的ul元素隐藏(display=none),然后添加li元素,最后再显示,但是实际操作中可能会出现闪动,原因这也很容易理解。这时,fragment
元素就有了用武之地了。
复制代码var fragment = document.createDocumentFragment();var li =
document.createElement(‘li’);li.innerHTML =
‘apple’;fragment.appendChild(li);var li =
document.createElement(‘li’);li.innerHTML =
‘watermelon’;fragment.appendChild(li);document.getElementById(‘fruit’).appendChild(fragment);

文档片段是个轻量级的document对象,它的设计初衷就是为了完成这类任务——更新和移动节点。文档片段的一个便利的语法特性是当你附加一个片断到节点时,实际上被添加的是该片断的子节点,而不是片断本身。只触发了一次重排,而且只访问了一次实时的DOM。
7、让元素脱离动画流
用展开/折叠的方式来显示和隐藏部分页面是一种常见的交互模式。它通常包括展开区域的几何动画,并将页面其他部分推向下方。
一般来说,重排只影响渲染树中的一小部分,但也可能影响很大的部分,甚至整个渲染树。浏览器所需要重排的次数越少,应用程序的响应速度就越快。因此当页面顶部的一个动画推移页面整个余下的部分时,会导致一次代价昂贵的大规模重排,让用户感到页面一顿一顿的。渲染树中需要重新计算的节点越多,情况就会越糟。
使用以下步骤可以避免页面中的大部分重排:
使用绝对位置定位页面上的动画元素,将其脱离文档流
让元素动起来。当它扩大时,会临时覆盖部分页面。但这只是页面一个小区域的重绘过程,不会产生重排并重绘页面的大部分内容。
当动画结束时恢复定位,从而只会下移一次文档的其他元素

8、总结
重排和重绘是DOM编程中耗能的主要原因之一,平时涉及DOM编程时可以参考以下几点:
尽量不要在布局信息改变时做查询(会导致渲染队列强制刷新)
同一个DOM的多个属性改变可以写在一起(减少DOM访问,同时把强制渲染队列刷新的风险降为0)
如果要批量添加DOM,可以先让元素脱离文档流,操作完后再带入文档流,这样只会触发一次重排(fragment元素的应用)
将需要多次重排的元素,position属性设为absolute或fixed,这样此元素就脱离了文档流,它的变化不会影响到其他元素。例如有动画效果的元素就最好设置为绝对定位。

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
和 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。

图片 1

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:

图片 2

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:

图片 3

下面是火狐开发者工具中的 TimeLine:

图片 4

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

图片 5

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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图片 6

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

图片 7

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。

图片 8

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()

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