CSS 与网络性能

作者: 随便你挑 | 来源:发表于2018-11-25 08:40 被阅读53次

昨天看到的一篇比较全面地介绍了 CSS 加载的相关知识的文章，文章挺长，原文是全英文的。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：

浏览器直到渲染树构建完成后才会渲染页面；
渲染树由 DOM 与 CSSOM 组合而成；
DOM 是 HTML 加上（同步）阻塞的 JavaScript 操作（DOM 后的）结果；
CSSOM 是 CSS 规则应用于 DOM 后的结果；
使 JavaScript 非阻塞非常简单，添加 async 或 defer 属性即可；
相对而言，要让 CSS 变为异步加载是比较困难的；
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 <head> 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：

「译文」：CSS 与网络性能，你不看必定吃亏！

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：

「译文」：CSS 与网络性能，你不看必定吃亏！

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：

下载 HTML；
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；）

CSS 依赖了其他的 CSS，继续请求并下载 CSS 文件；
构造渲染树。

以下是相关的案例：

all.css 的内容：

<pre style="-webkit-tap-highlight-color: transparent; box-sizing: border-box; font-family: Consolas, Menlo, Courier, monospace; font-size: 16px; white-space: pre-wrap; position: relative; line-height: 1.5; color: rgb(153, 153, 153); margin: 1em 0px; padding: 12px 10px; background: rgb(244, 245, 246); border: 1px solid rgb(232, 232, 232); font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;">@import url(imported.css);
复制代码
</pre>

最终，浏览器的请求瀑布图呈现为：

「译文」：CSS 与网络性能，你不看必定吃亏！

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：

「译文」：CSS 与网络性能，你不看必定吃亏！

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，我以前提交了相关的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：

<pre style="-webkit-tap-highlight-color: transparent; box-sizing: border-box; font-family: Consolas, Menlo, Courier, monospace; font-size: 16px; white-space: pre-wrap; position: relative; line-height: 1.5; color: rgb(153, 153, 153); margin: 1em 0px; padding: 12px 10px; background: rgb(244, 245, 246); border: 1px solid rgb(232, 232, 232); font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;"><script src="app.js"></script>
<style>
@import url(app.css);
</style>
复制代码
</pre>

会出现这样的请求瀑布图:

「译文」：CSS 与网络性能，你不看必定吃亏！

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：

<pre style="-webkit-tap-highlight-color: transparent; box-sizing: border-box; font-family: Consolas, Menlo, Courier, monospace; font-size: 16px; white-space: pre-wrap; position: relative; line-height: 1.5; color: rgb(153, 153, 153); margin: 1em 0px; padding: 12px 10px; background: rgb(244, 245, 246); border: 1px solid rgb(232, 232, 232); font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;"><link rel="stylesheet" href="style.css" />
<style>
@import url(app.css);
</style>
复制代码
</pre>

「译文」：CSS 与网络性能，你不看必定吃亏！

与 <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> 或 <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：

「译文」：CSS 与网络性能，你不看必定吃亏！

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，当 @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：

<pre style="-webkit-tap-highlight-color: transparent; box-sizing: border-box; font-family: Consolas, Menlo, Courier, monospace; font-size: 16px; white-space: pre-wrap; position: relative; line-height: 1.5; color: rgb(153, 153, 153); margin: 1em 0px; padding: 12px 10px; background: rgb(244, 245, 246); border: 1px solid rgb(232, 232, 232); font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;"><link rel="stylesheet" href="style.css" />
<style>
@import url(app.css);
</style>
复制代码
</pre>

瀑布图:

「译文」：CSS 与网络性能，你不看必定吃亏！

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：

<pre style="-webkit-tap-highlight-color: transparent; box-sizing: border-box; font-family: Consolas, Menlo, Courier, monospace; font-size: 16px; white-space: pre-wrap; position: relative; line-height: 1.5; color: rgb(153, 153, 153); margin: 1em 0px; padding: 12px 10px; background: rgb(244, 245, 246); border: 1px solid rgb(232, 232, 232); font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;"><link rel="stylesheet" href="style.css" />
<style>
@import url("app.css");
</style>
复制代码
</pre>

「译文」：CSS 与网络性能，你不看必定吃亏！

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：

<pre style="-webkit-tap-highlight-color: transparent; box-sizing: border-box; font-family: Consolas, Menlo, Courier, monospace; font-size: 16px; white-space: pre-wrap; position: relative; line-height: 1.5; color: rgb(153, 153, 153); margin: 1em 0px; padding: 12px 10px; background: rgb(244, 245, 246); border: 1px solid rgb(232, 232, 232); font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;"><script>
var script = document.createElement('script');
script.src = "analytics.js";
document.getElementsByTagName('head')[0].appendChild(script);
</script>
复制代码
</pre>

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

<pre style="-webkit-tap-highlight-color: transparent; box-sizing: border-box; font-family: Consolas, Menlo, Courier, monospace; font-size: 16px; white-space: pre-wrap; position: relative; line-height: 1.5; color: rgb(153, 153, 153); margin: 1em 0px; padding: 12px 10px; background: rgb(244, 245, 246); border: 1px solid rgb(232, 232, 232); font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;"><link rel="stylesheet" href="slow-loading-stylesheet.css" />
<script>
console.log("I will not run until slow-loading-stylesheet.css is downloaded.");
</script>
复制代码
</pre>

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：

<pre style="-webkit-tap-highlight-color: transparent; box-sizing: border-box; font-family: Consolas, Menlo, Courier, monospace; font-size: 16px; white-space: pre-wrap; position: relative; line-height: 1.5; color: rgb(153, 153, 153); margin: 1em 0px; padding: 12px 10px; background: rgb(244, 245, 246); border: 1px solid rgb(232, 232, 232); font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;"><link rel="stylesheet" href="app.css" />
<script>
var script = document.createElement('script');
script.src = "analytics.js";
document.getElementsByTagName('head')[0].appendChild(script);
</script>
复制代码
</pre>

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：

「译文」：CSS 与网络性能，你不看必定吃亏！

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：

<pre style="-webkit-tap-highlight-color: transparent; box-sizing: border-box; font-family: Consolas, Menlo, Courier, monospace; font-size: 16px; white-space: pre-wrap; position: relative; line-height: 1.5; color: rgb(153, 153, 153); margin: 1em 0px; padding: 12px 10px; background: rgb(244, 245, 246); border: 1px solid rgb(232, 232, 232); font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;"><script>
var script = document.createElement('script');
script.src = "analytics.js";
document.getElementsByTagName('head')[0].appendChild(script);
</script>
<link rel="stylesheet" href="app.css" />
复制代码
</pre>

「译文」：CSS 与网络性能，你不看必定吃亏！

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。

「译文」：CSS 与网络性能，你不看必定吃亏！

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：

每个页面只用到 app.css 中的部分样式： 用户会下载多余的 CSS。
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。
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！

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