探索 JavaScript 执行如何影响浏览器渲染流水线的各个阶段，并学习优化代码以提升 Web 性能和用户体验的策略。
浏览器渲染流水线：JavaScript 如何影响 Web 性能
浏览器渲染流水线是 Web 浏览器将 HTML、CSS 和 JavaScript 代码转换为用户屏幕上可见画面的一个步骤序列。对于任何旨在构建高性能 Web 应用程序的 Web 开发人员来说，理解这个流水线至关重要。JavaScript 作为一种强大而动态的语言，对这个流水线的每个阶段都有显著影响。本文将深入探讨浏览器渲染流水线，并探索 JavaScript 执行如何影响性能，同时提供可行的优化策略。
理解浏览器渲染流水线
渲染流水线大致可以分为以下几个阶段：- 解析 HTML：浏览器解析 HTML 标记并构建文档对象模型 (DOM)，这是一个表示 HTML 元素及其关系的树状结构。
- 解析 CSS：浏览器解析 CSS 样式表（包括外部和内联样式）并创建 CSS 对象模型 (CSSOM)，这是另一个表示 CSS 规则及其属性的树状结构。
- 构建渲染树：浏览器结合 DOM 和 CSSOM 来创建渲染树。渲染树只包含显示内容所需的节点，会忽略像 <head> 这样的元素以及设置了 `display: none` 的元素。每个可见的 DOM 节点都有相应的 CSSOM 规则附加。
- 布局 (回流)：浏览器计算渲染树中每个元素的位置和大小。这个过程也称为“回流”(reflow)。
- 绘制 (重绘)：浏览器使用计算出的布局信息和应用的样式，将渲染树中的每个元素绘制到屏幕上。这个过程也称为“重绘”(repaint)。
- 合成：浏览器将不同的图层合成为最终要在屏幕上显示的图像。现代浏览器通常使用硬件加速来进行合成，从而提高性能。
JavaScript 对渲染流水线的影响
JavaScript 可以在不同阶段对渲染流水线产生显著影响。编写不佳或效率低下的 JavaScript 代码会引入性能瓶颈，导致页面加载缓慢、动画卡顿以及糟糕的用户体验。1. 阻塞解析器
当浏览器在 HTML 中遇到 <script> 标签时，它通常会暂停解析 HTML 文档，以便下载并执行 JavaScript 代码。这是因为 JavaScript 可能会修改 DOM，浏览器需要确保在继续之前 DOM 是最新的。这种阻塞行为会显著延迟页面的初始渲染。
示例：
考虑一个场景，您在 HTML 文档的 <head> 中有一个大型 JavaScript 文件：
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>My Website</title>
<script src="large-script.js"></script>
</head>
<body>
<h1>Welcome to My Website</h1>
<p>Some content here.</p>
</body>
</html>
在这种情况下，浏览器将停止解析 HTML，并等待 `large-script.js` 下载和执行，然后才会渲染 <h1> 和 <p> 元素。这可能导致初始页面加载出现明显延迟。
最小化解析器阻塞的解决方案：
- 使用 `async` 或 `defer` 属性：`async` 属性允许脚本在不阻塞解析器的情况下下载，并在下载完成后立即执行。`defer` 属性也允许脚本在不阻塞解析器的情况下下载，但脚本将在 HTML 解析完成后，按照它们在 HTML 中出现的顺序执行。
- 将脚本放在 <body> 标签的末尾：通过将脚本放在 <body> 标签的末尾，浏览器可以在遇到脚本之前解析 HTML 并构建 DOM。这使得浏览器可以更快地渲染页面的初始内容。
使用 `async` 的示例：
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>My Website</title>
<script src="large-script.js" async></script>
</head>
<body>
<h1>Welcome to My Website</h1>
<p>Some content here.</p>
</body>
</html>
在这种情况下，浏览器将异步下载 `large-script.js`，而不会阻塞 HTML 解析。脚本将在下载完成后立即执行，这可能在整个 HTML 文档被解析之前发生。
使用 `defer` 的示例：
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>My Website</title>
<script src="large-script.js" defer></script>
</head>
<body>
<h1>Welcome to My Website</h1>
<p>Some content here.</p>
</body>
</html>
在这种情况下，浏览器将异步下载 `large-script.js`，而不会阻塞 HTML 解析。脚本将在整个 HTML 文档解析完成后，按照它在 HTML 中出现的顺序执行。
2. DOM 操作
JavaScript 常用于操作 DOM，例如添加、删除或修改元素及其属性。频繁或复杂的 DOM 操作会触发回流和重绘，这些是高成本的操作，会严重影响性能。
示例：
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>DOM Manipulation Example</title>
</head>
<body>
<ul id="myList">
<li>Item 1</li>
<li>Item 2</li>
</ul>
<script>
const myList = document.getElementById('myList');
for (let i = 3; i <= 10; i++) {
const listItem = document.createElement('li');
listItem.textContent = `Item ${i}`;
myList.appendChild(listItem);
}
</script>
</body>
</html>
在此示例中，脚本向无序列表添加了八个新的列表项。每次 `appendChild` 操作都会触发一次回流和重绘，因为浏览器需要重新计算布局并重绘列表。
优化 DOM 操作的解决方案：
- 最小化 DOM 操作：尽可能减少 DOM 操作的次数。不要多次修改 DOM，而是尝试将更改批量处理。
- 使用 DocumentFragment：创建一个 DocumentFragment，对该片段执行所有 DOM 操作，然后一次性将该片段附加到实际的 DOM 中。这可以减少回流和重绘的次数。
- 缓存 DOM 元素：避免重复查询相同的 DOM 元素。将元素存储在变量中并重复使用它们。
- 使用高效的选择器：使用特定且高效的选择器（例如，ID）来定位元素。避免使用复杂或低效的选择器（例如，不必要地遍历 DOM 树）。
- 避免不必要的回流和重绘：某些 CSS 属性，如 `width`、`height`、`margin` 和 `padding`，在更改时会触发回流和重绘。尽量避免频繁更改这些属性。
使用 DocumentFragment 的示例：
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>DOM Manipulation Example</title>
</head>
<body>
<ul id="myList">
<li>Item 1</li>
<li>Item 2</li>
</ul>
<script>
const myList = document.getElementById('myList');
const fragment = document.createDocumentFragment();
for (let i = 3; i <= 10; i++) {
const listItem = document.createElement('li');
listItem.textContent = `Item ${i}`;
fragment.appendChild(listItem);
}
myList.appendChild(fragment);
</script>
</body>
</html>
在此示例中，所有新的列表项首先被附加到一个 DocumentFragment 中，然后该片段被一次性附加到无序列表中。这将回流和重绘的次数减少到只有一次。
3. 高成本操作
某些 JavaScript 操作本身成本很高，会影响性能。这些包括：
- 复杂计算：在 JavaScript 中执行复杂的数学计算或数据处理会消耗大量 CPU 资源。
- 大型数据结构：处理大型数组或对象会导致内存使用增加和处理速度变慢。
- 正则表达式：复杂的正则表达式执行起来可能很慢，尤其是在处理大字符串时。
示例：
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Expensive Operation Example</title>
</head>
<body>
<div id="result"></div>
<script>
const resultDiv = document.getElementById('result');
let largeArray = [];
for (let i = 0; i < 1000000; i++) {
largeArray.push(Math.random());
}
const startTime = performance.now();
largeArray.sort(); // 高成本操作
const endTime = performance.now();
const executionTime = endTime - startTime;
resultDiv.textContent = `Execution time: ${executionTime} ms`;
</script>
</body>
</html>
在此示例中，脚本创建了一个包含大量随机数的数组，然后对其进行排序。对大型数组进行排序是一项高成本操作，可能需要大量时间。
优化高成本操作的解决方案：
- 优化算法：使用高效的算法和数据结构，以最小化所需的处理量。
- 使用 Web Workers：将高成本操作卸载到 Web Workers，它们在后台运行，不会阻塞主线程。
- 缓存结果：缓存高成本操作的结果，这样就不需要每次都重新计算。
- 防抖和节流：实施防抖 (debouncing) 或节流 (throttling) 技术来限制函数调用的频率。这对于频繁触发的事件处理程序（如滚动事件或调整大小事件）非常有用。
使用 Web Worker 的示例：
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Expensive Operation Example</title>
</head>
<body>
<div id="result"></div>
<script>
const resultDiv = document.getElementById('result');
if (window.Worker) {
const myWorker = new Worker('worker.js');
myWorker.onmessage = function(event) {
const executionTime = event.data;
resultDiv.textContent = `Execution time: ${executionTime} ms`;
};
myWorker.postMessage(''); // 启动 worker
} else {
resultDiv.textContent = '此浏览器不支持 Web Workers。';
}
</script>
</body>
</html>
worker.js:
self.onmessage = function(event) {
let largeArray = [];
for (let i = 0; i < 1000000; i++) {
largeArray.push(Math.random());
}
const startTime = performance.now();
largeArray.sort(); // 高成本操作
const endTime = performance.now();
const executionTime = endTime - startTime;
self.postMessage(executionTime);
}
在此示例中，排序操作在 Web Worker 中执行，该 Worker 在后台运行，不会阻塞主线程。这使得 UI 在排序进行时仍能保持响应。
4. 第三方脚本
许多 Web 应用程序依赖第三方脚本来实现分析、广告、社交媒体集成和其他功能。这些脚本通常是性能开销的重要来源，因为它们可能优化不佳、下载大量数据或执行高成本操作。
示例：
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Third-Party Script Example</title>
<script src="https://example.com/analytics.js"></script>
</head>
<body>
<h1>Welcome to My Website</h1>
<p>Some content here.</p>
</body>
</html>
在此示例中，脚本从第三方域加载分析脚本。如果此脚本加载或执行缓慢，可能会对页面性能产生负面影响。
优化第三方脚本的解决方案：
- 异步加载脚本：使用 `async` 或 `defer` 属性异步加载第三方脚本，而不阻塞解析器。
- 仅在需要时加载脚本：仅在实际需要时加载第三方脚本。例如，仅在用户与之交互时才加载社交媒体小部件。
- 使用内容分发网络 (CDN)：使用 CDN 从地理位置靠近用户的地方提供第三方脚本。
- 监控第三方脚本性能：使用性能监控工具跟踪第三方脚本的性能并识别任何瓶颈。
- 考虑替代方案：探索可能性能更好或占用资源更少的替代解决方案。
5. 事件监听器
事件监听器允许 JavaScript 代码响应用户交互和其他事件。然而，附加过多的事件监听器或使用低效的事件处理程序会影响性能。
示例：
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Event Listener Example</title>
</head>
<body>
<ul id="myList">
<li>Item 1</li>
<li>Item 2</li>
<li>Item 3</li>
</ul>
<script>
const listItems = document.querySelectorAll('#myList li');
for (let i = 0; i < listItems.length; i++) {
listItems[i].addEventListener('click', function() {
alert(`You clicked on item ${i + 1}`);
});
}
</script>
</body>
</html>
在此示例中，脚本为每个列表项附加了一个点击事件监听器。虽然这样可行，但这并不是最有效的方法，尤其是当列表包含大量项目时。
优化事件监听器的解决方案：
- 使用事件委托：不要为单个元素附加事件监听器，而是将一个事件监听器附加到父元素上，并使用事件委托来处理其子元素的事件。
- 移除不必要的事件监听器：当不再需要事件监听器时，将其移除。
- 使用高效的事件处理程序：优化事件处理程序内部的代码，以最小化所需的处理量。
- 节流或防抖事件处理程序：使用节流或防抖技术来限制事件处理程序调用的频率，特别是对于频繁触发的事件，如滚动事件或调整大小事件。
使用事件委托的示例：
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Event Listener Example</title>
</head>
<body>
<ul id="myList">
<li>Item 1</li>
<li>Item 2</li>
<li>Item 3</li>
</ul>
<script>
const myList = document.getElementById('myList');
myList.addEventListener('click', function(event) {
if (event.target.tagName === 'LI') {
const index = Array.prototype.indexOf.call(myList.children, event.target);
alert(`You clicked on item ${index + 1}`);
}
});
</script>
</body>
</html>
在此示例中，一个点击事件监听器被附加到无序列表上。当列表项被点击时，事件监听器会检查事件的目标是否是列表项。如果是，事件监听器将处理该事件。这种方法比为每个列表项单独附加点击事件监听器更高效。
用于测量和改进 JavaScript 性能的工具
有几种工具可以帮助您测量和改进 JavaScript 性能：- 浏览器开发者工具：现代浏览器内置了开发者工具，允许您分析 JavaScript 代码、识别性能瓶颈并分析渲染流水线。
- Lighthouse：Lighthouse 是一个开源的自动化工具，用于提高网页质量。它提供性能、可访问性、渐进式 Web 应用、SEO 等方面的审计。
- WebPageTest：WebPageTest 是一个免费工具，允许您从不同地点和浏览器测试网站的性能。
- PageSpeed Insights：PageSpeed Insights 分析网页内容，然后生成使该页面更快的建议。
- 性能监控工具：有多种商业性能监控工具可帮助您实时跟踪 Web 应用程序的性能。
结论
JavaScript 在浏览器渲染流水线中扮演着至关重要的角色。了解 JavaScript 执行如何影响性能对于构建高性能的 Web 应用程序至关重要。通过遵循本文中概述的优化策略，您可以最小化 JavaScript 对渲染流水线的影响，并提供流畅且响应迅速的用户体验。请记住，始终要测量和监控您网站的性能，以识别和解决任何瓶颈。
本指南为理解 JavaScript 对浏览器渲染流水线的影响提供了坚实的基础。继续探索和尝试这些技术，以完善您的 Web 开发技能，并为全球用户构建卓越的用户体验。