CSS 与网络性能

挺长的一篇文章,比较全面地介绍了 CSS 加载的相关知识,由于译者水平有限,有能力的同学建议直接看原文,同时也希望译文对你有所帮助,谢谢~以下是正文:


承蒙抬爱,我被称为 CSS 魔术师已经十多年了,但最近在博客上,CSS 相关的文章却不多。那就结合 CSS 与性能这两大主题,为大家带来一篇文章吧。

CSS 是页面渲染的关键因素之一,(当页面存在外链 CSS 时,)浏览器会等待全部的 CSS 下载及解析完成后再渲染页面。关键路径上的任何延迟都会影响首屏时间,因而我们需要尽快地将 CSS 传输到用户的设备,否则,(在页面渲染之前,)用户只能看到一个空白的屏幕。

最大的问题是什么?

广义而言,CSS 是(渲染)性能的关键,这是由于:

  1. 浏览器直到渲染树构建完成后才会渲染页面;
  2. 渲染树由 DOM 与 CSSOM 组合而成;
  3. DOM 是 HTML 加上(同步)阻塞的 JavaScript 操作(DOM 后的)结果;
  4. CSSOM 是 CSS 规则应用于 DOM 后的结果;
  5. 使 JavaScript 非阻塞非常简单,添加 async 或 defer 属性即可;
  6. 相对而言,要让 CSS 变为异步加载是比较困难的;
  7. 所以记住这条经验法则:(理想情况下,)最慢样式表的下载时间决定了页面渲染的时间

基于上述考虑,我们需要尽快构建 DOM 与 CSSOM。一般情况下,DOM 的构建是相对较快,(当请求某个页面时,)服务器响应的首个请求是 HTML 文档。但一般 CSS 是作为 HTML 的子资源而存在,因此 CSSOM 的构建通常需要更长的时间。

在这篇文章中,会讲述 CSS 为何是网络瓶颈(无论是对于它自己或是其他资源),该如何突破它,从而缩短关键路径以减少首次渲染前的等待时间。

使用关键 CSS

如果条件允许,缩短渲染前等待时间最有效的方式就是使用 Critical CSS (关键 CSS)模式:找出首次渲染所需的样式(通常是首屏相关的样式),将它们内联到 标签中,其他样式则通过异步的方式进行加载。

虽然这十分有效,但实施起来却并不容易,比如:高度动态化的网站(译者注:如 SPA)通常难以提取首屏相关的样式、提取的过程需要自动化、需要对首屏不同元素显示或隐藏的状态作出假设、某些边界情况难以处理以及相关工具仍未成熟等问题。如果你的项目相当庞大或是有历史包袱,这将变得更为复杂。

根据媒体类型拆分代码

如果在项目组难以执行关键 CSS 策略,可以尝试根据媒体查询拆分 CSS 文件,这也是一种可靠的策略。执行此策略后,浏览器表现如下:

  • 以非常高的优先级下载符合当前上下文(设备、屏幕尺寸、分辨率、方向等)的 CSS 文件,阻塞关键路径;
  • 以非常低的优先级下载不符合当前上下文的 CSS 文件,不会阻塞关键路径。

浏览器基本上能将未命中媒体查询的 CSS 文件延迟下载。

如果我们把全部的 CSS 代码都放在一个文件中,请求的表现如下:

我们可以观察到,这个单独的 CSS 文件会以 最高 的优先级下载。

根据媒体查询拆分成若干个 CSS 文件后:

浏览器会以不同的优先级下载 CSS 文件:

不符合当前上下文的 CSS 文件将以 _最低_ 优先级进行下载。

浏览器仍然会下载全部的 CSS 文件,但只有符合当前上下文的 CSS 文件会阻塞渲染。

避免在 CSS 文件中使用 @import

为缩短渲染等待时间而努力的下一项任务非常简单:避免在 CSS 文件中使用 @import

如果了解 @import 的原理,那应该清楚它的性能并不高,使用它会阻塞渲染更长时间。这是因为我们在关键路径上创造了更多(队列式)的网络请求:

  1. 下载 HTML;
  2. 请求并下载依赖的 CSS;
    • (下载及解析完成后,本该是构造渲染树,然而;)
  3. CSS 依赖了其他的 CSS,继续请求并下载 CSS 文件;
  4. 构造渲染树。

以下是相关的案例:

all.css 的内容:

最终,浏览器的请求瀑布图呈现为:

关键路径上的 CSS 文件并没有并行下载。

通过将 @imports 请求的文件改为 <link rel="stylesheet" />

可以提高网络性能:

关键路径上的 CSS 文件是并行下载的。

注意,有一个特殊的情况值得讨论。如果你没有包含 @import 的 CSS 文件的修改权限,为了让浏览器并行下载 CSS 文件,可以往 HTML 中补充相应的 <link rel="stylesheet" src="@import的地址" />。浏览器会并行下载相应的 CSS 文件且不会重复下载 @import 引用的文件。

在 HTML 中谨慎地使用 @import

本节的内容比较奇怪。各大浏览器的相关实现上似乎都有问题,我以前提交了相关bugs(译者注:简单说,当页面中存在:<style>@import url(xxx.url);</style>,浏览器不会并行下载,但加上引号后:<style>@import url("xxx.url");</style>,浏览器会并行下载)。

为了透彻地理解本节的内容,首先我们需要了解浏览器的预加载扫描器:各大浏览器都实现了一个名为预加载扫描器的辅助解析器。浏览器的核心解析器主要用于构建 DOM、CSSOM、运行 JavaScript 等。HTML 文档中某些标签与状态会阻塞核心解析器,因而核心解析器的运行是断断续续的。而预加载扫描器可以跳到核心解析器尚未解析的部分,用以发现其他待引用的子资源(如 CSS、JS 文件、图片等)。一旦发现此类子资源,预加载扫描器会开始下载它们,以便核心解析器在解析到对应内容时就能使用它们(,而不是直到那一刻才开始下载该资源)。预加载扫描器的出现,使网页的加载性能提高了19%,这是一项了不起的成就,可以极大地优化用户体验。

作为开发者,需要警惕预加载扫描器背后隐藏的问题,这在后文会进行阐述。

在 HTML 中使用 @import,在以 WebKit 与 Blink 为内核的浏览器中,可能会触发它们预加载扫描器的 bug,在 Firefox 与 IE/Edge 中,则表现低效。

Firefox 与 IE / Edge:在 HTML 中将 @import 放在 JS 和 CSS 之前

在 Firefox 与 IE/Edge 中,预加载扫描器不会并行下载 <script src=""> 和 <link rel="stylesheet" /> 后 @imports 引用的资源。

这意味着如下的 HTML:

会出现这样的请求瀑布图:

由于预加载扫描器失效,导致资源在 Firefox 中无法并行下载(IE/Edge 中有着同样的问题)。

通过上图,可以清晰地观察到:直到 JavaScript 文件下载完成之后,@import 引用的 CSS 文件才开始下载。

不单 <script> 标签会触发此问题,<link> 标签也会:

<script> 标签一样,子资源无法并行下载。

此问题最简单的解决方案是调换 <script><link rel="stylesheet" /> 标签与(包含 @import 的)<style> 标签的位置。然而,当我们改变顺序时,可能会对页面造成影响。

最佳解决方案是完全不使用 @import,再往 HTML 文档中加入另一个 <link rel="stylesheet" /> 取而代之:

修改后,浏览器表现更好:

浏览器并行下载资源,IE/Edge 表现相同。

以 Blink 或 WebKit 内核的浏览器:在 HTML 文档中使用 @import 时,要用引号包裹 url。

对于以 Blink 或 WebKit 为内核的浏览器而言,@import 引用的 url 未被引号包裹时,表现与 Firefox 和 IE/Edge 一致(无法并行下载)。这意味着上述两个内核的预加载扫描器存在 bug。

因此,无需调整代码的顺序,只需要添加引号即可解决问题。但我还是建议使用另一个 <link rel="stylesheet" /> 取代 @import

未添加引号时的代码:

瀑布图:

可以看到,缺失引号会破坏 Chrome 的预加载(Opera 与 Safari 表现也是如此。)

添加引号后的代码:

添加引号后,Chrome、Opera 和 Safari 的预加载扫描器表现恢复正常,

这绝对是 WebKit 与 Blink 内核的一个 bug,是否添加引号不应成为影响预加载扫描器的因素。

感谢 Yoav 帮我追踪这个问题。

现在这个 bug 现已在 Chromium 的待修复列表中。

不要将动态插入 JavaScript 的代码放在<link rel="stylesheet" /> 之后

在上一节中,我们了解到某些引用 CSS 文件路径 的方法,会对其他资源的下载造成负面影响。在本节中,我们将探究为何稍有不慎,CSS 将延迟其他资源的下载。该问题主要出现在动态创建的<script> 标签中:

所有浏览器都存在一个鲜为人知,但符合逻辑的现象,它会对性能造成很大的影响:

在浏览器下载完该 CSS 文件之前,不会执行下面的 JS

这是合理的。当 CSS 文件尚未下载完成时,HTML 文档中任何同步的 JavaScript 代码,均不会执行。考虑以下场景: <script> 中的代码会访问当前的页面样式,为确保结果正确,需要等待( <script> 标签前)所有 CSS 文件下载并解析完毕后再获取,否则无法保证正确性。因此,在 CSSOM 构建完成之前,<script> 中的代码不会执行。

根据这现象,CSS 文件的下载时间会对后续 <script> 的执行时间造成影响。下面的例子能较好地说明问题。

如果我们将一个 <link rel="stylesheet" /> 放在 <script> 之前,<script> 中动态创建新 <script> 的代码只会在 CSS 文件下载完之后才会执行,这意味着 CSS 推迟了资源的下载与执行:

从下面的瀑布图可以看到,JavaScript 文件在 CSSOM 构建完成之后才开始下载,完全失去了并行下载的优势:

尽管预加载扫描器希望能预下载 analytics.js,但对 analytics.js 的引用并非一开始就存在于 HTML 的文档之中,它是由 <link> 后面 <script> 的代码动态创建的,在创建之前,它只是一些字符串,而不是预加载扫描器可识别的资源,无形中它被隐藏起来了。

为了更安全地加载脚本,第三方服务商经常提供这样的代码片段。然而,开发者通常不信任第三方的代码,因而会把该片段放在页面的最后,但这可能会导致不良的后果。事实上,Google Analytics (在文档中)对此的建议是:

将代码复制后,作为第一项粘贴到待追踪页面的 中。

综上,我的建议是:

如果 <script> 中的代码并不依赖 CSS,把它们放在样式表之前。

调整一下代码:

交换位置之后,子资源可以并行下载,页面的整体性能提高了两倍以上。(译者注:本节的内容只同意一半,<head> 中的代码,确实是建议先放 <script>,再放 <link>,后文也会有相关的内容,但第三方代码放在 <head> 中的第一项,取决于相关代码的用途。如非必要,放在页面末尾或空闲时下载及执行也未尝不可)

将无需查询 CSSOM 的 JavaScript 代码放在 CSS 文件之前,需要查询的放在 CSS 文件之后

这条建议远比你想象中的有用。

上文讨论了插入新 <script> 的代码应放在 <link> 之前,那是否能推广到其他的 CSS 与 JavaScript 呢?为了弄明白这个问题,先提出以下假设:

假设:

  • CSSOM 的构建会阻塞 CSS 后面同步 JS 的执行;
  • 同步的 JS 会阻塞 DOM 的构建…

那如果 JS 并不依赖 CSSOM,以下那种情况会更快?

  • script 在前 style 在后;
  • style 在前 script 在后?

答案是:

如果 JS 文件没有依赖 CSS,你应该将 JS 代码放在样式表之前。 既然没有依赖,那就没有任何理由阻塞 JavaScript 代码的执行。

(尽管执行 JavaScript 代码时会停止解析 DOM, 但预加载扫描器会提前下载之后的 CSS)

如果你一部分 JavaScript 需要依赖 CSS 而另一部分却不用,最佳的实践是将 JavaScript 分为两部分,分别置于 CSS 的两侧:

根据这种组织方式,我们的页面会按最佳的方式下载与执行相关代码。下面的截图中,粉色代表 JS 的执行,但它们都比较“纤细”了,希望你能看得清楚。(第一栏的(下同))第一行是整个页面的时间轴,留意该行粉色的部分,代表 JS 正在执行。第二行是首个 JS 文件的时间轴,可以看到下载完后并立即执行。第三行是 CSS 的时间轴,因而没有任何 JS 执行。最后一行是第二个 JS 文件的时间轴,可以清晰地看到,直到 CSS 下载完成后才执行。

注意,你应该根据页面的实际情况测试这种代码组织方式,取决于 CSS 与 JavaScript 文件大小与 JavaScript 文件执行所需的时间,可能会出现不同的结果。记得多测试!(译者注:根据实践经验,<head> 中的代码组织基本可以按照这种方式,即 JS 在 CSS 之前,因为 <head> 中的 JS 代码基本不依赖 CSS,唯一的反例是 JS 代码体积非常大或执行时间很长。)

将 <link rel="stylesheet" /> 放在 <body> 中。

最后一条优化策略比较新颖,它对页面性能有很大帮助,并使页面达到逐步渲染的效果,同时易于执行。

在 HTTP/1.1 中,我们习惯于将全部的 css 打成一个文件,如 app.css:

然而,从三方面而言,渲染性能降低了:

  1. 每个页面只用到 app.css 中的部分样式: 用户会下载多余的 CSS。
  2. 难以制定缓存策略: 例如,某个页面使用的日期选择器更改了背景颜色,重新生成 app.css 后,旧的 app.css 缓存将失效。
  3. 整个 app.css 在解析构建完 CSSOM 之前,页面渲染被阻塞: 尽管当前页面可能只用到了 17% 的 CSS代码,但(浏览器)仍需等待其他 83% 的代码下载并解析完后,才能开始渲染。

使用 HTTP/2,可以解决第一与第二点:

根据页面的不同组件下载不同的 CSS,能有效地解决冗余问题。这减少了对关键路径造成阻塞的 CSS 文件总大小。

同时,我们可以制定更有效的缓存策略,(当代码产生变化之后,)只会影响对应文件的缓存,其他的文件保持不变。

但仍有解决的问题:下载并解析全部 CSS 文件之前,页面的渲染仍然是阻塞的。页面的渲染时间仍然取决于最慢的 CSS 文件下载与解析的时间。假设由于某种原因,页脚的 CSS 下载需要很长时间,(即使页头的 CSSOM 已经构建完成,)浏览器也只能等待而无法渲染页头。

然而,这现象在 Chrome (v69)中得到缓解,Firefox 与 IE/Edge 也已经进行了相关的优化。<link rel="stylesheet" /> 只会阻塞后续内容,而不是整个页面的渲染。这意味着我们可以用以下方式组织代码:

这样的结果是我们能逐步渲染页面,当前面的 CSS 可用时,页面将呈现对应的内容(,而不需等待全部 CSS 下载并解析完毕)。

I如果浏览器不支持这种特性,也不会损害页面的性能。整个页面将回退为原来的模式,只有在最慢的 CSS 下载并解析完成后,才能渲染页面。

有关这种特性的更多细节,建议阅读这篇文章

总结

本文内容比较 繁杂,成文后超出了本来的预期,尝试总结了 CSS 加载相关的一系列的最佳实践,值得仔细体会:

  • 懒加载非关键 CSS:
    • 优先加载关键 CSS,懒加载其他 CSS;
    • 或根据媒体类型拆分 CSS 文件。
  • 避免使用 @import
    • 在 HTML 文档中应该避免;
    • 在 CSS 文件之中更应避免;
    • 以及警惕预加载扫描器的怪异行为。
  • 关注 CSS 与 JavaScript 的顺序:
    • 在 CSS 文件后的 JavaScript 仅在 CSSOM 构建完成后才会执行;
    • 如果你的 JavaScript 不依赖 CSS;
      • 将它放置于 CSS 之前;
    • 如果 JavaScript 依赖 CSS:
      • 将它放置于 CSS 之后。
  • 仅加载 DOM 依赖的 CSS:
    • 这将提高初次渲染的速度使让页面逐步渲染。

注意

本文叙述的内容都遵循规范或根据浏览器的行为推导得出,然而,你应该亲自进行测试。尽管理论上是正确的,但在实践中可能会有所不同。记得好好测试

感谢

感谢 YoavAndyRyan 在过去几天对本文提出的意见与校对。

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