浏览器渲染优化：深入探讨 JavaScript 绘制性能

在当今快节奏的数字世界中，用户期望网站和 Web 应用程序能够快速响应、性能卓越。缓慢或卡顿的用户界面 (UI) 会导致用户失望，并最终放弃使用。Web 性能的一个关键方面是浏览器渲染管道，而理解 JavaScript 如何影响其绘制阶段，对于构建优化的 Web 体验至关重要。本指南将全面介绍 JavaScript 绘制性能，提供实用的策略和技术，以提高您 Web 应用程序对全球用户的响应速度。

理解浏览器渲染管道

浏览器渲染管道是 Web 浏览器将 HTML、CSS 和 JavaScript 代码转换为用户屏幕上可见图像的一系列步骤。优化此管道是提供流畅、高性能体验的关键。主要阶段包括：

1. DOM 构建：浏览器解析 HTML 并构建文档对象模型 (DOM)，这是 HTML 结构的树状表示。
2. CSSOM 构建：浏览器解析 CSS 并构建 CSS 对象模型 (CSSOM)，这是 CSS 规则的树状表示。
3. 渲染树构建：浏览器结合 DOM 和 CSSOM 创建渲染树，其中仅包含可见节点及其样式。
4. 布局 (Layout)：浏览器计算渲染树中每个元素的大小和位置，确定它们在屏幕上的显示位置。此过程也称为回流 (Reflow)。
5. 绘制 (Paint)：浏览器将渲染树转换为屏幕上的实际像素。此过程也称为光栅化 (Rasterization)。
6. 合成 (Composite)：浏览器将页面的不同层合并为最终图像，然后显示给用户。

JavaScript 在绘制性能中的作用

JavaScript 可以通过多种方式显著影响渲染管道的绘制阶段：

• 直接操作样式：JavaScript 可以直接修改元素的 CSS 样式，从而触发重绘和回流。频繁或未经优化的样式更改可能导致性能瓶颈。例如，在循环中反复更改元素的 `left` 和 `top` 属性可能会导致多次回流和重绘。
• DOM 操作：在 DOM 中添加、删除或修改元素会触发回流和重绘，因为浏览器需要重新计算布局并重绘受影响的区域。在没有适当优化的情况下以编程方式添加大量元素会严重降低性能。
• 动画：基于 JavaScript 的动画可能在每一帧都触发重绘，尤其是在未经优化的情况下。在动画中直接使用 `left`、`top`、`width` 或 `height` 等属性通常会强制浏览器重新计算布局，导致性能不佳。
• 复杂计算：执行复杂计算或数据处理的 JavaScript 代码会阻塞主线程，延迟绘制阶段，并导致 UI 无响应。想象一下，在主线程上处理一个大数据集以生成复杂的可视化；这个过程会阻塞渲染。

识别绘制性能瓶颈

在进行优化之前，识别应用程序中具体的绘制性能瓶颈至关重要。以下是如何使用 Chrome 开发者工具（或其他浏览器中的类似工具）来诊断性能问题：

1. 打开 Chrome 开发者工具：按 F12（在 macOS 上为 Cmd+Opt+I）打开 Chrome 开发者工具。
2. 导航到性能 (Performance) 选项卡：选择“Performance”选项卡。
3. 录制性能配置文件：点击录制按钮（圆形按钮），并与您的 Web 应用程序交互以触发性能问题。
4. 停止录制：再次点击录制按钮以停止录制。
5. 分析时间线：检查时间线以识别长时间的绘制、过多的回流（布局计算）以及阻塞主线程的 JavaScript 执行。请注意“Rendering”部分，它会高亮显示绘制事件。寻找红色区域，这表示性能问题。底部的“Summary”选项卡可以提供浏览器耗时情况的概览。
6. 启用绘制闪烁 (Paint flashing)：在“Rendering”选项卡中（可通过开发者工具中的三个点访问），启用“Paint flashing”。这会高亮显示正在被重绘的屏幕区域。频繁的闪烁表明可能存在性能问题。

优化 JavaScript 绘制性能的策略

一旦确定了瓶颈，您可以应用以下策略来优化 JavaScript 绘制性能：

1. 最小化回流与重绘

回流和重绘是开销很大的操作。减少它们的发生次数对于性能至关重要。以下是一些技巧：

• 避免直接操作样式：不要直接修改单个元素的样式，而是尝试更改类名或修改 CSS 变量。这允许浏览器批量更新并优化渲染过程。例如，不要使用 `element.style.width = '100px'`，而是考虑添加一个定义宽度的类。
• 批量更新 DOM：在对 DOM 进行多次更改时，将它们批量处理以最小化回流次数。您可以使用文档片段 (document fragments) 或临时变量等技术来收集更改，然后再将它们应用到 DOM 中。例如，不要在循环中逐个向 DOM 添加元素，而是将它们附加到文档片段中，然后一次性将该片段附加到 DOM。
• 谨慎读取布局属性：读取布局属性（例如 `offsetWidth`、`offsetHeight`、`scrollTop`）会强制浏览器重新计算布局。避免不必要地读取这些属性，尤其是在循环内部。如果需要使用它们，请缓存值并重用。
• 使用 `requestAnimationFrame` 进行动画：`requestAnimationFrame` 是一个浏览器 API，它安排动画在下一次重绘之前运行。这确保了动画与浏览器的刷新率同步，从而实现更平滑、更高效的渲染。应使用 `requestAnimationFrame` 而不是 `setInterval` 或 `setTimeout` 来实现动画。
• 虚拟 DOM 和协调 (适用于 React、Vue.js、Angular 等框架)：使用虚拟 DOM 的框架可以最大限度地减少直接的 DOM 操作。更改首先应用于虚拟 DOM，然后框架根据差异（协调）高效地更新实际 DOM。了解您的框架如何处理 DOM 更新至关重要。

2. 利用 CSS变换 (Transform) 和透明度 (Opacity) 进行动画处理

在为元素制作动画时，优先使用 CSS 变换（例如 `translate`、`scale`、`rotate`）和透明度。这些属性的动画不会触发回流，因为它们通常由 GPU 处理。对 `left`、`top`、`width` 或 `height` 等属性进行动画处理的开销要大得多，因为它们通常会强制进行布局重新计算。

例如，不要通过动画改变 `left` 属性来水平移动元素，而应使用 `transform: translateX(value)`。同样，使用 `opacity` 而不是直接操作 `display` 属性。

3. 优化 JavaScript 代码

高效的 JavaScript 代码对于防止可能延迟绘制阶段的瓶颈至关重要。以下是一些注意事项：

• 最小化 JavaScript 执行时间：识别并优化运行缓慢的 JavaScript 代码。使用 Chrome 开发者工具中的“Performance”选项卡来分析您的代码并找出最耗时的函数。
• 使用 Web Workers 处理后台任务：将长时间运行或计算密集型任务移至 Web Workers。Web Workers 在独立的线程中运行，防止它们阻塞主线程并干扰渲染。例如，图像处理、数据分析或网络请求都可以在 Web Workers 中处理。
• 防抖 (Debouncing) 和节流 (Throttling)：在处理滚动或调整窗口大小等事件时，使用防抖或节流来限制函数的执行次数。这可以防止过度的重绘和回流。防抖确保函数仅在一段不活动时间后被调用。节流确保函数在指定的时间间隔内最多被调用一次。
• 代码分割 (Code Splitting)：将您的 JavaScript 代码分割成更小的块，并按需加载。这可以减少应用程序的初始加载时间并提高其响应能力。Webpack 和 Parcel 等工具可以帮助实现代码分割。
• 高效的数据结构和算法：使用适当的数据结构和算法来优化数据处理。在性能至关重要时，考虑使用 Map 和 Set 而不是 Object 和 Array。

4. 使用硬件加速

浏览器可以利用 GPU（图形处理单元）来加速某些渲染操作，例如合成和变换。通过使用可以触发创建新合成层的 CSS 属性来启用硬件加速。`will-change` CSS 属性经常被使用，但应谨慎使用，因为过度使用可能会对性能产生负面影响。

示例：

            .element {
  will-change: transform, opacity;
}
            

              
                Copy
              
            
          

这会告知浏览器该元素的 `transform` 和 `opacity` 属性可能会发生变化，从而允许它相应地优化渲染。

5. 优化图像及其他资源

大图像和其他资源会显著影响页面加载时间和渲染性能。优化您的资源以减小其大小并提高加载速度。

• 图像优化：使用 ImageOptim 或 TinyPNG 等工具在不牺牲质量的情况下压缩图像。根据图像内容选择合适的图像格式（例如 WebP、JPEG、PNG）。使用带有 `srcset` 属性的响应式图像，根据用户的设备提供不同尺寸的图像。
• 懒加载 (Lazy Loading)：仅在图像和其他资源在视口中可见时才加载它们。这可以显著改善初始加载时间，并减少浏览器需要渲染的资源量。像 lazysizes 这样的库可以帮助实现懒加载。
• 缓存 (Caching)：利用浏览器缓存将静态资源存储在本地，减少重复下载的需要。配置您的服务器以设置适当的缓存头。考虑使用内容分发网络（CDN）在全球分发您的资源，以改善世界各地用户的加载时间。

6. 监控并持续改进

Web 性能优化是一个持续的过程。持续监控您应用程序的性能并找出需要改进的领域。使用 Google PageSpeed Insights、WebPageTest 和 Lighthouse 等性能监控工具来深入了解您应用程序的性能并识别潜在问题。定期分析您的代码并分析渲染管道，以识别和解决瓶颈。

Web 性能的全球化考量

在优化 Web 性能时，考虑全球化背景非常重要。来自世界不同地区的用户可能拥有不同的网络速度、设备能力和互联网接入成本。

• 网络延迟：网络延迟会显著影响页面加载时间，特别是对于互联网基础设施较差地区的用户。最小化 HTTP 请求数量并优化资源大小，以减少延迟的影响。考虑使用 HTTP/2 等技术，它允许通过单个连接发送多个请求。
• 设备能力：发展中国家的用户可能正在使用较旧或性能较差的设备。优化您的应用程序以确保它在这些设备上表现良好。考虑使用自适应加载技术，根据用户的设备提供不同的内容。
• 数据成本：在某些地区，互联网接入费用昂贵。优化您的应用程序以最小化数据使用量。使用图像压缩、代码分割和懒加载等技术来减少用户需要下载的数据量。
• 本地化：确保您的应用程序已为不同语言和地区进行了适当的本地化。使用适当的字符编码和格式约定。考虑使用在全球分发您资源的 CDN，以改善世界各地用户的加载时间。

示例：优化一个基于 JavaScript 的动画

假设您有一个基于 JavaScript 的动画，它将一个元素水平移动穿过屏幕。原始代码可能如下所示：

            const element = document.getElementById('my-element');
let position = 0;

function animate() {
  position += 2;
  element.style.left = position + 'px';
  requestAnimationFrame(animate);
}

animate();
            

              
                Copy
              
            
          

此代码直接操作 `left` 属性，这会在每一帧触发回流和重绘。为了优化此动画，您可以使用 CSS 变换：

            const element = document.getElementById('my-element');
let position = 0;

function animate() {
  position += 2;
  element.style.transform = `translateX(${position}px)`;
  requestAnimationFrame(animate);
}

animate();
            

              
                Copy
              
            
          

通过使用 `transform: translateX()`，您可以在不触发回流的情况下移动元素，从而实现更平滑、性能更高的动画。

结论

优化 JavaScript 绘制性能对于为全球用户提供快速、响应迅速且愉悦的用户体验至关重要。通过理解浏览器渲染管道、识别性能瓶颈并应用本指南中概述的策略，您可以显著提高 Web 应用程序的性能。请记住持续监控应用程序的性能，并根据需要调整优化技术。考虑全球化背景并优化您的应用程序，以确保它能为具有不同网络速度、设备能力和互联网接入成本的用户提供良好性能。采纳这些实践将有助于创建对每个人都易于访问且性能卓越的 Web 体验，无论他们身在何处或使用何种设备。