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[转]浏览器的加载与页面性能优化

2011年10月19日

原文地址: http://www.baiduux.com/blog/2011/02/15/browser-loading/

本文将探讨浏览器渲染的loading过程,主要有2个目的:

  • 了解浏览器在loading过程中的实现细节,具体都做了什么
  • 研究如何根据浏览器的实现原理进行优化,提升页面响应速度

由于loading和parsing是相互交织、错综复杂的,这里面有大量的知识点,为了避免过于发散本文将不会对每个细节都深入研究,而是将重点放在开发中容易控制的部分(Web前端和Web Server),同时由于浏览器种类繁多且不同版本间差距很大,本文将侧重一些较新的浏览器特性

现有知识

提升页面性能方面已经有很多前人的优秀经验了,如Best Practices for Speeding Up Your Web SiteWeb Performance Best Practices

本文主要专注其中加载部分的优化,总结起来主要有以下几点:

  • 带宽

    • 使用CDN
    • 压缩js、css,图片优化
  • HTTP优化

    • 减少转向
    • 减少请求数
    • 缓存
    • 尽早Flush
    • 使用gzip
    • 减少cookie
    • 使用GET
  • DNS优化

    • 减少域名解析时间
    • 增多域名提高并发
  • JavaScript

    • 放页面底部
    • defer/async
  • CSS

    • 放页面头部
    • 避免@import
  • 其它

    • 预加载

接下来就从浏览器各个部分的实现来梳理性能优化方法

network

首先是网络层部分,这方面的实现大部分是通过调用操作系统或gui框架提供的api

DNS

为了应对DNS查询的延迟问题,一些新的浏览器会缓存或预解析DNS,如当Chrome访问google页面的搜索结果时,它会取出链接中的域名进行预解析

当然,Chrome并不是每次都将页面中的所有链接的域名都拿来预解析,为了既提升用户体验又不会对DNS造成太大负担,Chrome做了很多细节的优化,如通过学习用户之前的行为来进行判断

Chrome在启动时还会预先解析用户常去的网站,具体可以参考DNS Prefetching,当前Chrome中的DNS缓存情况可以通过net-internals页面来察看

为了帮助浏览器更好地进行DNS的预解析,可以在html中加上以下这句标签来提示浏览器

<link rel="dns-prefetch" href="//HOSTNAME.com">

除此之外还可以使用HTTP header中的X-DNS-Prefetch-Control来控制浏览器是否进行预解析,它有on和off两个值,更详细的信息请参考Controlling DNS prefetching

CDN

本文不打算详细讨论这个话题,感兴趣的读者可以阅读Content delivery network

在性能方面与此相关的一个问题是用户可能使用自定义的DNS,如OpenDNS或Google的8.8.8.8,需要注意对这种情况进行处理

link prefetch

由于Web页面加载是同步模型,这意味着浏览器在执行js操作时需要将后续html的加载和解析暂停,因为js中有可能会调用document.write来改变dom节点,很多浏览器除了html之外还会将css的加载暂停,因为js可能会获取dom节点的样式信息,这个暂停会导致页面展现速度变慢,为了应对这个问题,Mozilla等浏览器会在执行js的同时简单解析后面的html,提取出链接地址提前下载,注意这里仅是先下载内容,并不会开始解析和执行

这一行为还可以通过在页面中加入以下标签来提示浏览器

<link rel="prefetch" href="http://">

但这种写法目前并没有成为正式的标准,也只有Mozilla真正实现了该功能,可以看看Link prefetching FAQ

WebKit也在尝试该功能,具体实现是在HTMLLinkElement的process成员函数中,它会调用ResourceHandle::prepareForURL()函数,目前从实现看它是仅仅用做DNS预解析的,和Mozilla对这个属性的处理不一致

对于不在当前页面中的链接,如果需要预下载后续内容可以用js来实现,请参考这篇文章Preload CSS/JavaScript without execution

预下载后续内容还能做很多细致的优化,如在Velocity China
2010
中,来自腾讯的黄希彤介绍了腾讯产品中使用的交叉预下载方案,利用空闲时间段的流量来预加载,这样即提升了用户访问后续页面的速度,又不会影响到高峰期的流量,值得借鉴

预渲染

预渲染比预下载更进一步,不仅仅下载页面,而且还会预先将它渲染出来,目前在Chrome(9.0.597.0)中有实现,不过需要在about:flags中将’Web Page Prerendering’开启

不得不说Chrome的性能优化做得很细致,各方面都考虑到了,也难怪Chrome的速度很快

http

在网络层之上我们主要关注的是HTTP协议,这里将主要讨论1.1版本,如果需要了解1.0和1.1的区别请参考Key Differences between HTTP/1.0 and HTTP/1.1

header

首先来看http中的header部分

header大小

header的大小一般会有500 多字节,cookie内容较多的情况下甚至可以达到1k以上,而目前一般宽带都是上传速度慢过下载速度,所以如果小文件多时,甚至会出现页面性能瓶颈出在用户上传速度上的情况,所以缩小header体积是很有必要的,尤其是对不需要cookie的静态文件上,最好将这些静态文件放到另一个域名上

将静态文件放到另一个域名上会出现的现象是,一旦静态文件的域名出现问题就会对页面加载造成严重影响,尤其是放到顶部的js,如果它的加载受阻会导致页面展现长时间空白,所以对于流量大且内容简单的首页,最好使用内嵌的js和css

header的扩展属性

header中有些扩展属性可以用来保护站点,了解它们是有益处的

  • X-Frame-Options

    • 这个属性可以避免网站被使用frame、iframe的方式嵌入,解决使用js判断会被var location;破解的问题,IE8、Firefox3.6、Chrome4以上的版本都支持
  • X-XSS-Protection

    • 这是IE8引入的扩展header,在默认情况下IE8会自动拦截明显的XSS攻击,如query中写script标签并在返回的内容中包含这项标签,如果需要禁止可以将它的值设为0,因为这个XSS过滤有可能导致问题,如IE8 XSS Filter Bug
  • X-Requested-With

    • 用来标识Ajax请求,大部分js框架都会加入这个header
  • X-Content-Type-Options

    • 如果是html内容的文件,即使用Content-Type: text/plain;的header,IE仍然会识别成html来显示,为了避免它所带来的安全隐患,在IE8中可以通过在header中设置X-Content-Type-Options: nosniff来关闭它的自动识别功能

使用get请求来提高性能

首先性能因素不应该是考虑使用get还是post的主要原因,首先关注的应该是否符合HTTP中标准中的约定,get应该用做数据的获取而不是提交

之所以用get性能更好的原因是有测试表明,即使数据很小,大部分浏览器(除了Firefox)在使用post时也会发送两个TCP的packet,所以性能上会有损失

连接数

在HTTP/1.1协议下,单个域名的最大连接数在IE6中是2个,而在其它浏览器中一般4-8个,而整体最大链接数在30左右

而在HTTP/1.0协议下,IE6、7单个域名的最大链接数可以达到4个,在Even Faster Web Sites一书中的11章还推荐了对静态文件服务使用HTTP/1.0协议来提高IE6、7浏览器的速度

浏览器链接数的详细信息可以在Browserscope上查到

使用多个域名可以提高并发,但前提是每个域名速度都是同样很快的,否则就会出现某个域名很慢会成为性能瓶颈的问题

cache

主流浏览器都遵循http规范中的Caching in HTTP来实现的

从HTTP cache的角度来看,浏览器的请求分为2种类型:conditional requests 和 unconditional requests

unconditional请求是当本地没有缓存或强制刷新时发的请求,web server返回200的heder,并将内容发送给浏览器

而conditional则是当本地有缓存时的请求,它有两种:

  1. 使用了Expires或Cache-Control,如果本地版本没有过期,浏览器不会发出请求
  2. 如果过期了且使用了ETag或Last-Modified,浏览器会发起conditional请求,附上If-Modified-Since或If-None-Match的header,web server根据它来判断文件是否过期,如果没有过期就返回304的header(不返回内容),浏览器见到304后会直接使用本地缓存中的文件

以下是IE发送conditional requests的条件,从MSDN上抄来

  • The cached item is no longer fresh according to Cache-Control or Expires
  • The cached item was delivered with a VARY header
  • The containing page was navigated to via META REFRESH
  • JavaScript in the page called reload on the location object, passing TRUE
  • The request was for a cross-host HTTPS resource on browser startup
  • The user refreshed the page

简单的来说,点击刷新按钮或按下F5时会发出conditional请求,而按下ctrl的同时点击刷新按钮或按下F5时会发出unconditional请求

需要进一步学习请阅读:

前进后退的处理

浏览器会尽可能地优化前进后退,使得在前进后退时不需要重新渲染页面,就好像将当前页面先“暂停”了,后退时再重新运行这个“暂停”的页面

不过并不是所有页面都能“暂停”的,如当页面中有函数监听unload事件时,所以如果页面中的链接是原窗口打开的,对于unload事件的监听会影响页面在前进后时的性能

在新版的WebKit里,在事件的对象中新增了一个persisted属性,可以用它来区分首次载入和通过后退键载入这两种不同的情况,而在Firefox中可以使用pageshow和pagehide这两个事件

unload事件在浏览器的实现中有很多不确定性因素,所以不应该用它来记录重要的事情,而是应该通过定期更新cookie或定期保存副本(如用户备份编辑文章到草稿中)等方式来解决问题

具体细节可以参考WebKit上的这2篇文章:

cookie

浏览器中对cookie的支持一般是网络层库来实现的,浏览器不需要关心,如IE使用的是WinINET

需要注意IE对cookie的支持是基于pre-RFC Netscape draft spec for cookies的,和标准有些不同,在设定cookie时会出现转义不全导致的问题,如在ie和webkit中会忽略“=”,不过大部分web开发程序(如php语言)都会处理好,自行编写http交互时则需要注意

p3p问题

在IE中默认情况下iframe中的页面如果域名和当前页面不同,iframe中的页面是不会收到cookie的,这时需要通过设置p3p来解决,具体可以察看微软官方的文档,加上如下header即可

P3P:CP="IDC DSP COR ADM DEVi TAIi PSA PSD IVAi IVDi CONi HIS OUR IND CNT"

这对于用iframe嵌入到其它网站中的第三方应用很重要

编码识别

页面的编码可以在http header或meta标签中指明,对于没有指明编码的页面,浏览器会根据是否设置了auto detect来进行编码识别(如在chrome中的View-Encoding菜单)

关于编码识别,Mozilla开源了其中的Mozilla Charset Detectors模块,感兴趣的可以对其进行学习

建议在http
header中指定编码,如果是在meta中指定,浏览器在得到html页面后会首先读取一部分内容,进行简单的meta标签解析来获得页面编码,如WebKit代码中的HTMLMetaCharsetParser.cpp,可以看出它的实现是查找charset属性的值,除了WebKit以外的其它浏览器也是类似的做法,这就是为何HTML5中直接使用如下的写法浏览器都支持

<meta charset="utf-8">

需要注意不设定编码会导致不可预测的问题,应尽可能做到明确指定

chunked

浏览器在加载html时,只要网络层返回一部分数据后就会开始解析,并下载其中的js、图片,而不需要等到所有html都下载完成才开始,这就意味着如果可以分段将数据发送给浏览器,就能提高页面的性能,这就是chunked的作用,具体协议细节请参考Chunked Transfer Coding

在具体实现上,php中可以通过flush函数来实现,不过其中有不少需要注意的问题,如php的配置、web server、某些IE版本的问题等,具体请参考php文档及评论

注意这种方式只适用于html页面,对于xml类型的页面,由于xml的严格语法要求,浏览器只能等到xml全部下载完成后才会开始解析,这就意味着同等情况下,xml类型的页面展现速度必然比html慢,所以不推荐使用xml

即使不使用这种http传输方式,浏览器中html加载也是边下载边解析的,而不需等待所有html内容都下载完才开始,所以实际上chunked主要节省的是等待服务器响应的时间,因为这样可以做到服务器计算完一部分页面内容后就立刻返回,而不是等到所有页面都计算都完成才返回,将操作并行

另外Facebook所使用的BigPipe实际上是在应用层将页面分为了多个部分,从而做到了服务端和浏览器计算的并行

keepalive

keepalive使得在完成一个请求后可以不关闭socket连接,后续可以重复使用该连接发送请求,在HTTP/1.0和HTTP/1.1中都有支持,在HTTP/1.1中默认是打开的

keepalive在浏览器中都会有超时时间,避免长期和服务器保持连接,如IE是60秒

另外需要注意的是如果使用阻塞IO(如apache),开启keepalive保持连接会很消耗资源,可以考虑使用nginx、lighttpd等其它web server,具体请参考相关文档,这里就不展开描述

pipelining

pipelining是HTTP/1.1协议中的一个技术,能让多个HTTP请求同时通过一个socket传输,注意它和keepalive的区别,keepalive能在一个socket中传输多个HTTP,但这些HTTP请求都是串行的,而pipelining则是并行的

可惜目前绝大部分浏览器在默认情况下都不支持,已知目前只有opera是默认支持的,加上很多网络代理对其支持不好导致容易出现各种问题,所以并没有广泛应用

SPDY

SPDY是google提出的对HTTP协议的改进,主要是目的是提高加载速度,主要有几点:

  • Mutiplexed streams

    • 可以在一个TCP中传输各种数据,减少链接的耗时
  • Request prioritization

    • 请求分级,便于发送方定义哪些请求是重要的
  • HTTP header compression

    • header压缩,减少数据量

frame

从实现上看,frame类(包括iframe和frameset)的标签是最耗时的,而且会导致多一个请求,所以最好减少frame数量

resticted

如果要嵌入不信任的网站,可以使用这个属性值来禁止页面中js、ActiveX的执行,可以参考msdn的文档

<iframe security="restricted" src=""></iframe>

javascript

加载

对于html的script标签,如果是外链的情况,如:

<script src="http://www.jackness.org/wp-content/themes/JStyle/images/default/blank.png" _src="a.js"></script>

浏览器对它的处理主要有2部分:下载和执行

下载在有些浏览器中是并行的,有些浏览器中是串行的,如IE8、Firefox3、Chrome2都是串行下载的

执行在所有浏览器中默认都是阻塞的,当js在执行时不会进行html解析等其它操作,所以页面顶部的js不宜过大,因为那样将导致页面长时间空白,对于这些外链js,有2个属性可以减少它们对页面加载的影响,分别是:

  • async

    • 标识js是否异步执行,当有这个属性时则不阻塞当前页面的加载,并在js下载完后立刻执行
    • 不能保证多个script标签的执行顺序
  • defer

    • 标示js是否延迟执行,当有这个属性时js的执行会推迟到页面解析完成之后
    • 可以保证多个script标签的执行顺序

下图来自Asynchronous and deferred JavaScript execution explained,清晰地解释了普通情况和这2种情况下的区别

需要注意的是这两个属性目前对于内嵌的js是无效的

而对于dom中创建的script标签在浏览器中则是异步的,如下所示:

var script = document.createElement('script');
script.src = 'a.js';
document.getElementsByTagName('head')[0].appendChild(script);

为了解决js阻塞页面的问题,可以利用浏览器不认识的属性来先下载js后再执行,如ControlJS就是这样做的,它能提高页面的相应速度,不过需要注意处理在js未加载完时的显示效果

document.write

document.write是不推荐的api,对于标示有async或defer属性的script标签,使用它会导致不可预料的结果,除此之外还有以下场景是不应该使用它的:

  • 使用document.createElement创建的script
  • 事件触发的函数中,如onclick
  • setTimeout/setInterval

简单来说,document.write只适合用在外链的script标签中,它最常见的场景是在广告中,由于广告可能包含大量html,这时需要注意标签的闭合,如果写入的内容很多,为了避免受到页面的影响,可以使用类似Google AdSense的方式,通过创建iframe来放置广告,这样做还能减少广告中的js执行对当前页面性能的影响

另外,可以使用ADsafe等方案来保证嵌入第三方广告的安全,请参考如何安全地嵌入第三方js – FBML/caja/sandbox/ADsafe简介

script标签放底部

将script标签放底部可以提高页面展现给用户的速度,然而很多时候事情并没那么简单,如页面中的有些功能是依赖js的,所以更多的还需要根据实际需求进行调整

  • 尝试用Doloto分析出哪些JS和初始展现是无关的,将那些不必要的js延迟加载
  • 手工进行分离,如可以先显示出按钮,但状态是不可点,等JS加载完成后再改成可点的

传输

js压缩可以使用YUI CompressorClosure Compiler

gwt中的js压缩还针对gzip进行了优化,进一步减小传输的体积,具体请阅读On Reducing the Size of Compressed Javascript

css

比起js放底部,css放页面顶部就比较容易做到

@import

使用@import在IE下会由于css加载延后而导致页面展现比使用link标签慢,不过目前几乎没有人使用@import,所以问题不大,具体细节请参考don’t use @import

selector的优化

浏览器在构建DOM树的过程中会同时构建Render树,我们可以简单的认为浏览器在遇到每一个DOM节点时,都会遍历所有selector来判断这个节点会被哪些selector影响到

不过实际上浏览器一般是从右至左来判断selector是否命中的,对于ID、Class、Tag、Universal和Page的规则是通过hashmap的方式来查找的,它们并不会遍历所有selector,所以selector越精确越好,google page-speed中的一篇文档Use efficient CSS selectors详细说明了如何优化selector的写法

另一个比较好的方法是从架构层面进行优化,将页面不同部分的模块和样式绑定,通过不同组合的方式来生成页面,避免后续页面顶部的css只增不减,越来越复杂和混乱的问题,可以参考Facebook的静态文件管理

工具

以下整理一些性能优化相关的工具及方法

Browserscope

之前提到的http://www.browserscope.org收集了各种浏览器参数的对比,如最大链接数等信息,方便参考

Navigation Timing

Navigation Timing是还在草案中的获取页面性能数据api,能方便页面进行性能优化的分析

传统的页面分析方法是通过javascript的时间来计算,无法获取页面在网络及渲染上所花的时间,使用Navigation Timing就能很好地解决这个问题,具体它能取到哪些数据可以通过下图了解(来自w3c)

目前这个api较新,目前只在一些比较新的浏览器上有支持,如Chrome、IE9,但也占用一定的市场份额了,可以现在就用起来

boomerang

yahoo开源的一个页面性能检测工具,它的原理是通过监听页面的onbeforeunload事件,然后设置一个cookie,并在另一个页面中设置onload事件,如果cookie中有设置且和页面的refer保持一致,则通过这两个事件的事件来衡量当前页面的加载时间

另外就是通过静态图片来衡量带宽和网络延迟,具体可以看boomerang

检测工具

reference

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分类HTML + CSS
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