阮一峰：网页性能管理详解

jopen 9年前

你遇到过性能很差的网页吗？

这种网页响应非常缓慢，占用大量的 CPU 和内存，浏览起来常常有卡顿，页面的动画效果也不流畅。

阮一峰：网页性能管理详解

你会有什么反应？我猜想，大多数用户会关闭这个页面，改为访问其他网站。作为一个开发者，肯定不愿意看到这种情况，怎样才能提高性能呢？

本文将详细介绍性能问题的出现原因，以及解决方法。

一、网页生成的过程

要理解网页性能为什么不好，就要了解网页是怎么生成的。

阮一峰：网页性能管理详解

网页的生成过程，大致可以分成五步。

  1. HTML 代码转化成 DOM
  2. CSS 代码转化成 CSSOM（CSS Object Model）
  3. 结合 DOM 和 CSSOM，生成一棵渲染树（包含每个节点的视觉信息）
  4. 生成布局（layout），即将所有渲染树的所有节点进行平面合成
  5. 将布局绘制（paint）在屏幕上

这五步里面，第一步到第三步都非常快，耗时的是第四步和第五步。

"生成布局"（flow）和"绘制"（paint）这两步，合称为"渲染"（render）。

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二、重排和重绘

网页生成的时候，至少会渲染一次。用户访问的过程中，还会不断重新渲染。

以下三种情况，会导致网页重新渲染。

  1. 修改 DOM
  2. 修改样式表
  3. 用户事件（比如鼠标悬停、页面滚动、输入框键入文字、改变窗口大小等等）

重新渲染，就需要重新生成布局和重新绘制。前者叫做"重排"（reflow），后者叫做"重绘"（repaint）。

需要注意的是，"重绘"不一定需要"重排"，比如改变某个网页元素的颜色，就只会触发"重绘"，不会触发"重排"，因为布局没有改变。但是，"重排"必然导致"重绘"，比如改变一个网页元素的位置，就会同时触发"重排"和"重绘"，因为布局改变了。

三、对于性能的影响

重排和重绘会不断触发，这是不可避免的。但是，它们非常耗费资源，是导致网页性能低下的根本原因。

提高网页性能，就是要降低"重排"和"重绘"的频率和成本，尽量少触发重新渲染。

前面提到，DOM 变动和样式变动，都会触发重新渲染。但是，浏览器已经很智能了，会尽量把所有的变动集中在一起，排成一个队列，然后一次性执行，尽量避免多次重新渲染。 

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

上面代码中，div 元素有两个样式变动，但是浏览器只会触发一次重排和重绘。

如果写得不好，就会触发两次重排和重绘。 

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

上面代码对 div 元素设置背景色以后，第二行要求浏览器给出该元素的位置，所以浏览器不得不立即重排。

一般来说，样式的写操作之后，如果有下面这些属性的读操作，都会引发浏览器立即重新渲染。

  1. offsetTop/offsetLeft/offsetWidth/offsetHeight
  2. scrollTop/scrollLeft/scrollWidth/scrollHeight
  3. clientTop/clientLeft/clientWidth/clientHeight
  4. getComputedStyle ()

所以，从性能角度考虑，尽量不要把读操作和写操作，放在一个语句里面。 

// 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";

一般的规则是：

  1. 样式表越简单，重排和重绘就越快。
  2. 重排和重绘的 DOM 元素层级越高，成本就越高。
  3. table 元素的重排和重绘成本，要高于 div 元素

四、提高性能的九个技巧

有一些技巧，可以降低浏览器重新渲染的频率和成本。

第一条是上一节说到的，DOM 的多个读操作（或多个写操作），应该放在一起。不要两个读操作之间，加入一个写操作。

第二条，如果某个样式是通过重排得到的，那么最好缓存结果。避免下一次用到的时候，浏览器又要重排。

第三条，不要一条条地改变样式，而要通过改变 class，或者 csstext 属性，一次性地改变样式。 

// 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;";

第四条，尽量使用离线 DOM，而不是真实的网面 DOM，来改变元素样式。比如，操作 Document Fragment 对象，完成后再把这个对象加入 DOM。再比如，使用 cloneNode () 方法，在克隆的节点上进行操作，然后再用克隆的节点替换原始节点。

第五条，先将元素设为 display: none （需要 1 次重排和重绘），然后对这个节点进行 100 次操作，最后再恢复显示（需要 1 次重排和重绘）。这样一来，你就用两次重新渲染，取代了可能高达 100 次的重新渲染。

第六条，position 属性为 absolute 或 fixed 的元素，重排的开销会比较小，因为不用考虑它对其他元素的影响。

第七条，只在必要的时候，才将元素的 display 属性为可见，因为不可见的元素不影响重排和重绘。另外，visibility : hidden 的元素只对重排有影响，不影响重绘。

第八条，使用虚拟 DOM 的脚本库，比如 React 等。

第九条，使用 window.requestAnimationFrame ()、window.requestIdleCallback () 这两个方法调节重新渲染（详见后文）。

五、刷新率

很多时候，密集的重新渲染是无法避免的，比如 scroll 事件的回调函数和网页动画。

网页动画的每一帧（frame）都是一次重新渲染。每秒低于 24 帧的动画，人眼就能感受到停顿。一般的网页动画，需要达到每秒 30 帧到 60 帧的频率，才能比较流畅。如果能达到每秒 70 帧甚至 80 帧，就会极其流畅。

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大多数显示器的刷新频率是 60Hz，为了与系统一致，以及节省电力，浏览器会自动按照这个频率，刷新动画（如果可以做到的话）。

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所以，如果网页动画能够做到每秒 60 帧，就会跟显示器同步刷新，达到最佳的视觉效果。这意味着，一秒之内进行 60 次重新渲染，每次重新渲染的时间不能超过 16.66 毫秒。

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一秒之间能够完成多少次重新渲染，这个指标就被称为"刷新率"，英文为 FPS（frame per second）。60 次重新渲染，就是 60FPS。

六、开发者工具的 Timeline 面板

Chrome 浏览器开发者工具的 Timeline 面板，是查看"刷新率"的最佳工具。这一节介绍如何使用这个工具。

首先，按下 F12 打开"开发者工具"，切换到 Timeline 面板。

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左上角有一个灰色的圆点，这是录制按钮，按下它会变成红色。然后，在网页上进行一些操作，再按一次按钮完成录制。

Timeline 面板提供两种查看方式：横条的是"事件模式"（Event Mode），显示重新渲染的各种事件所耗费的时间；竖条的是"帧模式"（Frame Mode），显示每一帧的时间耗费在哪里。

先看"事件模式"，你可以从中判断，性能问题发生在哪个环节，是 JavaScript 的执行，还是渲染？

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不同的颜色表示不同的事件。

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  • 蓝色：网络通信和 HTML 解析
  • 黄色：JavaScript 执行
  • 紫色：样式计算和布局，即重排
  • 绿色：重绘

哪种色块比较多，就说明性能耗费在那里。色块越长，问题越大。

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帧模式（Frames mode）用来查看单个帧的耗时情况。每帧的色柱高度越低越好，表示耗时少。

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你可以看到，帧模式有两条水平的参考线。

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下面的一条是 60FPS，低于这条线，可以达到每秒 60 帧；上面的一条是 30FPS，低于这条线，可以达到每秒 30 次渲染。如果色柱都超过 30FPS，这个网页就有性能问题了。

此外，还可以查看某个区间的耗时情况。

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或者点击每一帧，查看该帧的时间构成。

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七、window.requestAnimationFrame ()

有一些 JavaScript 方法可以调节重新渲染，大幅提高网页性能。

其中最重要的，就是 window.requestAnimationFrame () 方法。它可以将某些代码放到下一次重新渲染时执行。 

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

上面的代码使用循环操作，将每个元素的高度都增加一倍。可是，每次循环都是，读操作后面跟着一个写操作。这会在短时间内触发大量的重新渲染，显然对于网页性能很不利。

我们可以使用window.requestAnimationFrame ()，让读操作和写操作分离，把所有的写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);

页面滚动事件（scroll）的监听函数，就很适合用 window.requestAnimationFrame () ，推迟到下一次重新渲染。 

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

当然，最适用的场合还是网页动画。下面是一个旋转动画的例子，元素每一帧旋转 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 ()

还有一个函数 window.requestIdleCallback ()，也可以用来调节重新渲染。

它指定只有当一帧的末尾有空闲时间，才会执行回调函数。 

requestIdleCallback (fn);

上面代码中，只有当前帧的运行时间小于 16.66ms 时，函数 fn 才会执行。否则，就推迟到下一帧，如果下一帧也没有空闲时间，就推迟到下下一帧，以此类推。

它还可以接受第二个参数，表示指定的毫秒数。如果在指定的这段时间之内，每一帧都没有空闲时间，那么函数 fn 将会强制执行。 

requestIdleCallback (fn, 5000);

上面的代码表示，函数 fn 最迟会在 5000 毫秒之后执行。

函数 fn 可以接受一个 deadline 对象作为参数。 

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

上面代码中，回调函数 someHeavyComputation 的参数是一个 deadline 对象。

deadline 对象有一个方法和一个属性：timeRemaining () 和 didTimeout。

（1）timeRemaining () 方法

timeRemaining () 方法返回当前帧还剩余的毫秒。这个方法只能读，不能写，而且会动态更新。因此可以不断检查这个属性，如果还有剩余时间的话，就不断执行某些任务。一旦这个属性等于0，就把任务分配到下一轮requestIdleCallback。

前面的示例代码之中，只要当前帧还有空闲时间，就不断调用 doWorkIfNeeded 方法。一旦没有空闲时间，但是任务还没有全执行，就分配到下一轮requestIdleCallback。

（2）didTimeout 属性

deadline 对象的 didTimeout 属性会返回一个布尔值，表示指定的时间是否过期。这意味着，如果回调函数由于指定时间过期而触发，那么你会得到两个结果。

  • timeRemaining 方法返回0
  • didTimeout 属性等于 true

因此，如果回调函数执行了，无非是两种原因：当前帧有空闲时间，或者指定时间到了。 

function myNonEssentialWork (deadline) { while ((deadline.timeRemaining () > 0 || deadline.didTimeout) && tasks.length > 0)      doWorkIfNeeded (); if (tasks.length > 0)      requestIdleCallback (myNonEssentialWork);  }    requestIdleCallback (myNonEssentialWork, 5000);

上面代码确保了，doWorkIfNeeded 函数一定会在将来某个比较空闲的时间（或者在指定时间过期后）得到反复执行。

requestIdleCallback 是一个很新的函数，刚刚引入标准，目前只有 Chrome 支持。

九、参考链接

  1. Domenico De Felice, How browsers work
  2. Stoyan Stefanov， Rendering: repaint, reflow/relayout, restyle
  3. Addy Osmani, Improving Web App Performance With the Chrome DevTools Timeline and Profiles
  4. Tom Wiltzius, Jank Busting for Better Rendering Performance
  5. Paul Lewis, Using requestIdleCallback