DOM 渲染及优化

了解\优化关键渲染路径

1. 优化关键渲染路径

优化关键渲染路径是指优先渲染与用户操作相关元素。

要提高页面的渲染速度，我们需要了解页面渲染的关键步骤，也就是关键渲染路径。

通过优化页面的渲染路径可以帮助我们搭建高性能和高可用应用。

2. 构建对象模型

浏览器渲染页面前需要先构建 DOM 和 CSSOM 树。因此，我们需要确保尽快将 HTML 和 CSS 都提供给浏览器。

对此，我们需要知道一些知识点：

  • 字节 → 字符 → 令牌 → 节点 → 对象模型。

  • HTML 标记转换成文档对象模型 (DOM)；CSS 标记转换成 CSS 对象模型 (CSSOM)。

  • DOM 和 CSSOM 是独立的数据结构。

  • Chrome DevTools Timeline 可以让我们可以捕获和检查 DOM 和 CSSOM 的构建和处理开销。

文档对象模型（DOM）的构建

先来看一个简单的例子是如何构建成 DOM 的

<!DOCTYPE html>
<html>
  <head>
    <meta name="viewport" content="width=device-width,initial-scale=1">
    <link href="style.css" rel="stylesheet">
    <title>Critical Path</title>
  </head>
  <body>
    <p>Hello <span>web performance</span> students!</p>
    <div><img src="awesome-photo.jpg"></div>
  </body>
</html>

以上是一个简单 HTML 文本，那么它是怎么被解析成 DOM 树的呢？请看下面的流程：

  1. 字节转换： 浏览器从磁盘或网络读取 HTML 的原始字节，并根据文件的指定编码（例如 UTF-8）将它们转换成各个字符。

  2. 标签化： 浏览器将字符串转换成 W3C HTML5 标准规定的各种标签，例如，<html>、<body>，以及其他尖括号内的字符串。每个标签都具有特殊含义和一组规则。

  3. 令牌化词法分析： 发出的令牌转换成定义其属性和规则的“对象”。

  4. DOM 构建： 最后，由于 HTML 标记定义不同标记之间的关系（一些标记包含在其他标记内），创建的对象链接在一个树数据结构内，此结构也会捕获原始标记中定义的父项-子项关系：HTML 对象是 body 对象的父项，body 是 paragraph 对象的父项，依此类推。

浏览器每次处理 HTML 标记时，都会完成以上所有步骤。

整个流程的最终输出是我们这个简单页面的文档对象模型 (DOM)，浏览器对页面进行的所有进一步处理都会用到它。

整个 DOM 构建出来，只是 HTML 最原始的模样，而各个节点的位置、外观则由 CSSOM 来控制。

CSS 对象模型 (CSSOM)

在浏览器构建我们这个简单页面的 DOM 时，在文档的 head 部分遇到了一个 link 标记，该标记引用一个外部 CSS 样式表：style.css。由于预见到需要利用该资源来渲染页面，它会立即发出对该资源的请求，并返回以下内容：

body { font-size: 16px }
p { font-weight: bold }
span { color: red }
p span { display: none }
img { float: right }

我们本可以直接在 HTML 标记内声明样式（内联），但让 CSS 独立于 HTML 有利于我们将内容和设计作为相对独立的关注点进行处理：UI 负责处理 CSS，前端开发侧重于 HTML，等等。

与处理 HTML 时一样，我们需要将收到的 CSS 规则转换成某种浏览器能够理解和处理的东西。因此，我们会重复 HTML 过程，不过是为 CSS 而不是 HTML：

CSS 字节转换成字符，接着转换成令牌和节点，最后链接到一个称为“CSS 对象模型”(CSSOM) 的树结构内：

CSSOM 为何具有树结构？为页面上的任何对象计算最后一组样式时，浏览器都会先从适用于该节点的最通用规则开始（例如，如果该节点是 body 元素的子项，则应用所有 body 样式），然后通过应用更具体的规则（即规则“向下级联”）以递归方式优化计算的样式。

以上面的 CSSOM 树为例进行更具体的阐述。span 标记内包含的任何置于 body 元素内的文本都将具有 16 像素字号，并且颜色为红色 — font-size 指令从 body 向下级联至 span。不过，如果某个 span 标记是某个段落 p 标记的子项，则其内容将不会显示。

还请注意，以上树并非完整的 CSSOM 树，它只显示了我们决定在样式表中替换的样式。每个浏览器都提供一组默认样式（也称为“User Agent 样式”），即我们不提供任何自定义样式时所看到的样式，我们的样式只是替换这些默认样式（例如默认 IE 样式）。

3. 重绘与回流

概念

一个 Web 页面在加载过程中，首先会生成一个 DOM 树和一个 CSSOM 树，然后浏览器会根据 DOM 树和 CSSOM 树生成一个渲染树（render tree），随后根据渲染树精确计算每个 DOM 节点的位置并对 DOM 节点进行布局，最后将各个节点绘制到屏幕上。

回流： 当Render Tree中部分或全部元素的尺寸、结构、或某些属性发生改变时，浏览器重新渲染部分或全部文档的过程称为回流。

重绘： 当页面中元素样式的改变并不影响它在文档流中的位置时（例如：color、background-color、visibility等），浏览器会将新样式赋予给元素并重新绘制它，这个过程称为重绘。

如何减少回流

CSS

  • 避免使用table布局。

  • 尽可能在DOM树的最末端改变class。

  • 避免设置多层内联样式。

  • 将动画效果应用到position属性为absolute或fixed的元素上。

  • 避免使用CSS表达式（例如：calc()）。

JavaScript

  • 避免频繁操作样式，最好一次性重写style属性，或者将样式列表定义为class并一次性更改class属性。

  • 避免频繁操作DOM，创建一个documentFragment，在它上面应用所有DOM操作，最后再把它添加到文档中。

  • 也可以先为元素设置display: none，操作结束后再把它显示出来。因为在display属性为none的元素上进行的DOM操作不会引发回流和重绘。

  • 避免频繁读取会引发回流/重绘的属性，如果确实需要多次使用，就用一个变量缓存起来。

  • 对具有复杂动画的元素使用绝对定位，使它脱离文档流，否则会引起父元素及后续元素频繁回流。

4. css 阻塞

默认情况下，css属于阻塞资源。

在渲染树构建中，我们看到关键渲染路径要求我们同时具有 DOM 和 CSSOM 才能构建渲染树。在渲染树结构中，DOM 和 CSSOM都属于阻塞资源，DOM 是必要的，因为没有 DOM 我们的浏览器就没有可渲染的内容，但是就页面而言有些 CSS 是非必须的，所以对于一些非必须的 CSS 可以采取非阻塞渲染的策略。

对此我们需要知道一些知识点：

  • 默认情况下 CSS 属于阻塞渲染

  • k通过媒体类型和媒体查询将一些 CSS 资源标记为不阻塞渲染

  • 浏览器会下载所有 CSS 资源，无论阻塞还是不阻塞

CSS 是阻塞渲染的资源。需要将它尽早、尽快地下载到客户端，以便缩短首次渲染的时间。

不过，如果我们有一些 CSS 样式只在特定条件下（例如显示网页或将网页投影到大型显示器上时）使用，又该如何？如果这些资源不阻塞渲染，该有多好。

我们可以通过 CSS“媒体类型”和“媒体查询”来解决这类用例：

<link href="style.css" rel="stylesheet">
<link href="print.css" rel="stylesheet" media="print">
<link href="other.css" rel="stylesheet" media="(min-width: 40em)">

媒体查询由媒体类型以及零个或多个检查特定媒体特征状况的表达式组成。例如，上面的第一个样式表声明未提供任何媒体类型或查询，因此它适用于所有情况，也就是说，它始终会阻塞渲染。第二个样式表则不然，它只在打印内容时适用---或许您想重新安排布局、更改字体等等，因此在网页首次加载时，该样式表不需要阻塞渲染。最后，最后一个样式表声明提供由浏览器执行的“媒体查询”：符合条件时，浏览器将阻塞渲染，直至样式表下载并处理完毕。

通过使用媒体查询，我们可以根据特定用例（比如显示或打印），也可以根据动态情况（比如屏幕方向变化、尺寸调整事件等）定制外观。声明您的样式表资产时，请密切注意媒体类型和查询，因为它们将严重影响关键渲染路径的性能。

让我们考虑下面这些实例：

<link href="style.css"    rel="stylesheet">
<link href="style.css"    rel="stylesheet" media="all">
<link href="portrait.css" rel="stylesheet" media="orientation:portrait">
<link href="print.css"    rel="stylesheet" media="print">

  • 第一个声明阻塞渲染，适用于所有情况。

  • 第二个声明同样阻塞渲染：“all”是默认类型，如果您不指定任何类型，则隐式设置为“all”。因此，第一个声明和第二个声明实际上是等效的。

  • 第三个声明具有动态媒体查询，将在网页加载时计算。根据网页加载时设备的方向，portrait.css 可能阻塞渲染，也可能不阻塞渲染。

  • 最后一个声明只在打印网页时应用，因此网页首次在浏览器中加载时，它不会阻塞渲染。

最后，请注意“阻塞渲染”仅是指浏览器是否需要暂停网页的首次渲染，直至该资源准备就绪。无论哪一种情况，浏览器仍会下载 CSS 资源，只不过不阻塞渲染的资源优先级较低罢了。

5. JS 交互

JavaScript 允许我们修改网页的方方面面：内容、样式以及它如何响应用户交互。 不过，JavaScript 也会阻止 DOM 构建和延缓网页渲染。 为了实现最佳性能，可以让您的 JavaScript 异步执行，并去除关键渲染路径中任何不必要的 JavaScript。

对此，我们需要知道一些知识点：

  • JavaScript 可以查询和修改 DOM 与 CSSOM。

  • JavaScript 执行会阻止 CSSOM。

  • 除非将 JavaScript 显式声明为异步，否则它会阻止构建 DOM。

JavaScript 是一种运行在浏览器中的动态语言，它允许我们对网页行为的几乎每一个方面进行修改：我们可以通过在 DOM 树中添加和移除元素来修改内容；我们可以修改每个元素的 CSSOM 属性；我们可以处理用户输入，等等。为进行说明，让我们用一个简单的内联脚本对之前的 Hello World示例进行扩展：

<!DOCTYPE html>
<html>
  <head>
    <meta name="viewport" content="width=device-width,initial-scale=1">
    <link href="style.css" rel="stylesheet">
    <title>Critical Path: Script</title>
  </head>
  <body>
    <p>Hello <span>web performance</span> students!</p>
    <div><img src="awesome-photo.jpg"></div>
    <script>
      var span = document.getElementsByTagName('span')[0];
      span.textContent = 'interactive'; // change DOM text content
      span.style.display = 'inline';  // change CSSOM property
      // create a new element, style it, and append it to the DOM
      var loadTime = document.createElement('div');
      loadTime.textContent = 'You loaded this page on: ' + new Date();
      loadTime.style.color = 'blue';
      document.body.appendChild(loadTime);
    </script>
  </body>
</html>

  • JavaScript 允许我们进入 DOM 并拉取对隐藏的 span 节点的引用 - 该节点可能未出现在渲染树中，却仍然存在于 DOM 内。然后，在我们获得引用后，就可以更改其文本（通过 .textContent），甚至可以将其计算的 display 样式属性从none替换为 inline 。现在，我们的页面显示 Hello interactive students! 。

  • JavaScript 还允许我们在 DOM 中创建、样式化、追加和移除新元素。从技术上讲，我们的整个页面可以是一个大的 JavaScript 文件，此文件能够逐一创建元素并对其进行样式化。尽管这种方法可行，但是在实践中，使用 HTML 和 CSS 要简单得多。在 JavaScript 函数的第二部分，我们会创建一个新的 div 元素，设置其文本内容，对其进行样式化，然后将其追加到正文中。

我们通过以上示例修改了现有 DOM 节点的内容和 CSS 样式，并为文档添加了一个全新的节点。我们的网页不会赢得任何设计奖，但它说明了 JavaScript 赋予我们的能力和灵活性。

不过，尽管 JavaScript 为我们带来了许多功能，不过也在页面渲染方式和时间方面施加了更多限制。

首先，请注意上例中的内联脚本靠近网页底部。为什么呢？您真应该亲自尝试一下。如果我们将脚本移至 span 元素之上，您就会注意到脚本运行失败，并提示在文档中找不到对任何 span 元素的引用 - 即 getElementsByTagName('span') 会返回 null。这透露出一个重要事实：我们的脚本在文档的何处插入，就在何处执行。当 HTML 解析器遇到一个 script 标记时，它会暂停构建 DOM，将控制权移交给 JavaScript 引擎；等 JavaScript 引擎运行完毕，浏览器会从中断的地方恢复 DOM 构建。

换言之，我们的脚本块找不到网页中任何靠后的元素，因为它们尚未接受处理！或者，稍微换个说法：执行我们的内联脚本会阻止 DOM 构建，也就延缓了首次渲染。

在网页中引入脚本的另一个微妙事实是，它们不仅可以读取和修改 DOM 属性，还可以读取和修改 CSSOM 属性。实际上，我们在示例中就是这么做的：将 span 元素的 display 属性从 none 更改为 inline。最终结果如何？我们现在遇到了竞态问题。

如果浏览器尚未完成 CSSOM 的下载和构建，而我们却想在此时运行脚本，会怎样？答案很简单，对性能不利：浏览器将延迟脚本执行和 DOM 构建，直至其完成 CSSOM 的下载和构建。

简言之，JavaScript 在 DOM、CSSOM 和 JavaScript 执行之间引入了大量新的依赖关系，从而可能导致浏览器在处理以及在屏幕上渲染网页时出现大幅延迟：

  • 脚本在文档中的位置很重要。

  • 当浏览器遇到一个 script 标记时，DOM 构建将暂停，直至脚本完成执行。

  • JavaScript 可以查询和修改 DOM 与 CSSOM。

  • JavaScript 执行将暂停，直至 CSSOM 就绪。

“优化关键渲染路径”在很大程度上是指了解和优化 HTML、CSS 和 JavaScript 之间的依赖关系谱。

解析器阻止与异步 JavaScript

默认情况下，JavaScript 执行会“阻止解析器”：当浏览器遇到文档中的脚本时，它必须暂停 DOM 构建，将控制权移交给 JavaScript 运行时，让脚本执行完毕，然后再继续构建 DOM。我们在前面的示例中已经见过内联脚本的实用情况。实际上，内联脚本始终会阻止解析器，除非您编写额外代码来推迟它们的执行。

通过 script 标签引入的脚本又怎样？让我们还用前面的例子，将代码提取到一个单独文件中：

<!DOCTYPE html>
<html>
  <head>
    <meta name="viewport" content="width=device-width,initial-scale=1">
    <link href="style.css" rel="stylesheet">
    <title>Critical Path: Script External</title>
  </head>
  <body>
    <p>Hello <span>web performance</span> students!</p>
    <div><img src="awesome-photo.jpg"></div>
    <script src="app.js"></script>
  </body>
</html>

app.js

var span = document.getElementsByTagName('span')[0];
span.textContent = 'interactive'; // change DOM text content
span.style.display = 'inline';  // change CSSOM property
// create a new element, style it, and append it to the DOM
var loadTime = document.createElement('div');
loadTime.textContent = 'You loaded this page on: ' + new Date();
loadTime.style.color = 'blue';
document.body.appendChild(loadTime);

无论我们使用 <script> 标记还是内联 JavaScript 代码段，您都可以期待两者能够以相同方式工作。 在两种情况下，浏览器都会先暂停并执行脚本，然后才会处理剩余文档。不过，如果是外部 JavaScript 文件，浏览器必须停下来，等待从磁盘、缓存或远程服务器获取脚本，这就可能给关键渲染路径增加数十至数千毫秒的延迟。

默认情况下，所有 JavaScript 都会阻止解析器。由于浏览器不了解脚本计划在页面上执行什么操作，它会作最坏的假设并阻止解析器。向浏览器传递脚本不需要在引用位置执行的信号既可以让浏览器继续构建 DOM，也能够让脚本在就绪后执行；例如，在从缓存或远程服务器获取文件后执行。

为此，我们可以将脚本标记为异步：

<!DOCTYPE html>
<html>
  <head>
    <meta name="viewport" content="width=device-width,initial-scale=1">
    <link href="style.css" rel="stylesheet">
    <title>Critical Path: Script Async</title>
  </head>
  <body>
    <p>Hello <span>web performance</span> students!</p>
    <div><img src="awesome-photo.jpg"></div>
    <script src="app.js" async></script>
  </body>
</html>

向 script 标记添加异步关键字可以指示浏览器在等待脚本可用期间不阻止 DOM 构建，这样可以显著提升性能。

6. 优化关键渲染路径

为尽快完成首次渲染，我们需要最大限度减小以下三种可变因素：

  • 关键资源的数量。

  • 关键路径长度。

  • 关键字节的数量。

关键资源是可能阻止网页首次渲染的资源。这些资源越少，浏览器的工作量就越小，对 CPU 以及其他资源的占用也就越少。

同样，关键路径长度受所有关键资源与其字节大小之间依赖关系图的影响：某些资源只能在上一资源处理完毕之后才能开始下载，并且资源越大，下载所需的往返次数就越多。

最后，浏览器需要下载的关键字节越少，处理内容并让其出现在屏幕上的速度就越快。要减少字节数，我们可以减少资源数（将它们删除或设为非关键资源），此外还要压缩和优化各项资源，确保最大限度减小传送大小。

优化关键渲染路径的常规步骤如下：

  1. 对关键路径进行分析和特性描述：资源数、字节数、长度。

  2. 最大限度减少关键资源的数量：删除它们，延迟它们的下载，将它们标记为异步等。

  3. 优化关键字节数以缩短下载时间（往返次数）。

  4. 优化其余关键资源的加载顺序：您需要尽早下载所有关键资产，以缩短关键路径长度。

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