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2.前端效能分析

要做效能最佳化,首先需要知道怎麽科學化量測。需要數據支持,我們才可以知道最佳化有沒有效果。

Chrome 除錯器提供了詳盡的報表,最基本我們可以觀察 Network,其中的 Load 就是 Page Load Time 頁面加載時間:

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對前端來說,看重的是 Page Load Time,而不是單一 Request 的時間。因為網頁的組成除了 HTML 之外,還有 CSS/JavaScript/圖片等等。

Chrome 也提供了進階的 Performance 詳細報告,包括解析 HTML、CSS、JavaScript 各花了多少時間,等會也會介紹如何使用:

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Google 也提供了一些分析工具,並提供分數報告,包括:

線上分析工具 PageSpeed Insights

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PageSpeed Insights 的評分標準,基本上就是本教程會說明的內容

Chrome 外掛 Lighthouse

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稍後的作業會請各位安裝這個 Lighthouse 工具。

模擬低網速

由於開發者的網路線速度通常蠻快的,不能反應實際用戶的連線情況,特別是用手機行動上網的情境,因此 Chrome 有提供模擬限速的功能。 在截圖中的 No throttling 的地方,我們可以將速度模擬成行動 3G 網路。另外在測試的時候,也需要把瀏覽器的快取功能關閉。

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3. 減少 Requests 數量和大小

要完整加載一個網頁,除了 HTML 之外,還會需要加載 CSS、JavaScript 和圖片等資源。每一次的 HTTP Request 都需要耗費時間,因此減少 Requests 的請求數量,以及減少這些檔案的大小,就是一個最佳化的方向。

Rails 在本機開發時,CSS 和 JavaScript 是分開加載的:

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在部署上 Production 環境時,Asset Pipeline 會執行 rake assets:precompile 將 CSS 和 Javascript 進行合並壓縮,變成這個樣子:

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仔細觀察 CSS 內容壓縮後會變成這樣:

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JavaScript 內容壓縮後會變成這樣:

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CSS 壓縮是透過 sass-rails gem,而 JavaScript 壓縮是透過 uglifier gem

本機如何跑 production 模式?

也因為這個原因,在本機用 development 模式進行前端效能測試是不準的。如果想在本機跑 production 模式的話,可以這樣做:

  1. 修改 config/database.yml 設定 production 模式要用哪一個資料庫,例如把 production 改成用 development 模式的資料庫,例如
  development:
    <<: *default
    database: db/development.sqlite3

  production:
    <<: *default
-    database: db/production.sqlite3
+    database: db/development.sqlite3

  1. 執行 bundle exec rake assets:precompile,這會在本機執行 Asset Pipleline 的編譯

  2. 暫時修改 config/environments/production.rb 打開 public_file_server,這會允許 Rails 伺服器可以回傳靜態檔案(在正式部署的伺服器上,靜態檔案會由 Nginx 處理,所以預設是關閉的)

-  config.public_file_server.enabled = ENV['RAILS_SERVE_STATIC_FILES'].present?
+  config.public_file_server.enabled = true
  1. 改用 rails s -e production 來啟動 Rails,就會是用 production 模式

  2. Asset Pipleline 的編譯出來的檔案放在 public/assets 下,這些檔案是不需要 commit 的,實驗完之後需要砍掉。執行 bundle exec rake assets:clobberrm -rf public/assets 可以砍掉這個目錄。

不過在 production 模式下,修改任何 Ruby 代碼,都需要重啟 Rails。修改任何前端代碼,都需要重新編譯 Asset Pipleline,是很麻煩的。

4. HTTP 最佳化

HTTP 通訊協議本身,也有一些可以提速的功能:

HTTP 壓縮

網站伺服器和瀏覽器之間,支援了 gzip 壓縮,我們在部署教程中,就有設定 Nginx 打開這個功能:

gzip on;
gzip_disable "msie6";

gzip_comp_level    5;
gzip_min_length    256;
gzip_proxied       any;
gzip_vary          on;
gzip_types application/atom+xml application/javascript application/x-javascript application/json application/rss+xml application/vnd.ms-fontobject application/x-font-ttf application/x-web-app-manifest+json application/xhtml+xml application/xml font/opentype image/svg+xml image/x-icon text/css text/xml text/plain text/javascript text/x-component;

一旦啟用這個功能,Nginx 就會針對這些純文字的檔案,進行 gzip 壓縮之後再傳給瀏覽器,在 HTTP Response 標頭上會標明這個有 gzip 壓縮,那麽瀏覽器就會知道要進行解壓縮

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檔案有沒有壓縮差別很大,截圖中 JavaScript 壓縮前是 1.1 MB,壓縮後是 322KB,CSS 壓縮前是 142KB,壓縮後是 22.7KB。所以這個功能務必在伺服器上要開啟。

圖片不需要 gzip 壓縮,因為圖片本身已經是壓縮過後的格式(PNG或JPG)

HTTP 快取

在 HTTP 標頭中,也有定義一些快取功能。我們之前在部署教程中,在 Nginx 伺服器有這樣的設定:

  location ~ ^/assets/ {
    expires 1y;
    add_header Cache-Control public;
    add_header ETag "";
    break;
   }

這會針對 /assets/ 目錄下的靜態檔案,在 HTTP Response 加入以下的 Headers:

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  • cache-control: public 指定這個資源是可以被瀏覽器快取
  • cache-control: max-age=31536000expire 告訴瀏覽器這個資源可以被快取多久

於是瀏覽器就知道這些資源可以被快取,當你重新整理頁面,或是瀏覽下一頁的時候:

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這些資源就從瀏覽器的快取拿出來,而不需要發出 HTTP Requests 到伺服器。

為什麽可以將快取時間拉到一年這麽久呢? 這是因為 Rails asset pipleline 的 digest 功能會修改檔名加上編碼。每次部署上線進行 rake assets:precompile 編譯時,如果 CSS/JS/圖片 內容有變動的話,那這個檔名就會變,瀏覽器就會下載新的檔案。因此我們可以放心告訴瀏覽器這些資源可以被快取,而不用擔心用戶繼續使用舊的檔案。

HTTP/2

HTTP/2 是 2015 年制定的最新 HTTP 標準,語意和功能都與 HTTP 1.1 是相容的,主要是改善加載網頁的效能,詳細請參考老師之前寫的一篇文章 更快更安全: 每個網站都應該升級到 HTTP/2

HTTP/2 在圖片很多的場景,使用 HTTP/2 會改善非常多。不過 HTTP/2 要求 HTTPS,這是部署上會比較麻煩的地方。

HTTPS 安全宣導:自 2017 年 10 月起,如果用戶使用 Chrome (62版) 時,在使用 HTTP 的網頁表單中輸入文字,Chrome 將顯示「不安全」警告

5. 關鍵渲染路徑

除了網頁加載時間(Page Load Time)之外,另一個前端效能註重的數據是首次渲染頁面的時間。

首先我們來瞭解一下瀏覽器渲染畫面(Browser Rendering)的過程:

  • 瀏覽器下載 HTML
  • 瀏覽器針對 HTML 上的外部資源(CSS/JavaScript/圖片)發送 HTTP Requests 去獲取,在 HTTP 1.1 時代只能同時抓取六個資源、在 HTTP/2 之後則可以同時平行抓取。
  • 同一時間瀏覽器也從 HTML 源碼上到下開始解析進行渲染:
    • 用 HTML 建立 Document Object Model (DOM)
    • 用 CSS 建立 CSS Object Model (CSSOM),如果 CSS 還沒下載完成,會等待
    • 執行 JavaScript 來操作 DOM 和 CSSOM,如果 JavaScript 還沒下載完成,會等待
    • 建立 Render Tree
    • 計算每個元素在畫面上的位置 Layout
    • 實際畫上(Paint)每一畫素(pixels)

這個過程其實可以是一個漸進的過程,我們希望盡快讓用戶看到有個畫面,也就是去縮短首次渲染頁面的時間,而不是完全的空白畫面。因此希望找出所謂的關鍵渲染路徑(Critical Rendering Path):

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這張圖出自 Google 文檔,上圖是經過關鍵渲染路徑優化的版本、下圖是沒有經過優化的版本。你可以看到經過優化的版本,用戶可以更早就看到畫面,在感受上可以更早就開始閱讀和操作網頁。

這要怎麽辦到呢? 關鍵就在思考首次渲染頁面時,只加載必要的 CSS,以及延後 JavaScript 加載。這是因為顯示畫面只需要 HTML/CSS,暫時不需要 JavaScript。

如何量測?

讓我們用 Chrome 除錯器的 Performance 功能,可以觀察加載的看時間軸:

首先限速一下,這樣比較好觀察效果:

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點到 Performance tab,打開 Screenshots,按下重新整理就會開始量測:

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首先讓我們測試一個沒有優化的版本 https://www.rails-recipes.win,你會發現要到 3.5 秒的時候,第一個畫面才會出來:

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接來下測試一個優化之後的版本 https://www.rails-recipes.win/?js=async,你會發現大約 1.6 秒時,第一個畫面就出來了:

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此範例網站 www.rails-recipes.win 已關站

這是怎麽辦到的,最重要的技巧是延後 JavaScript 的加載:

JavaScript 加載最佳化

JavaScript 的加載對瀏覽器來說是 rendering blocking 的,當瀏覽器在 <head> 裡面看到 <script> 標籤時,瀏覽器會等待下載完成,並執行這個 JavasSript 後,才會繼續 rendering HTML 畫面。

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圖例中綠色是 HTML 渲染、紫色是 JavaScript 下載、紅色是 JavaScript 執行。瀏覽器看到 <script> 會暫停 HTML 渲染,來下載和執行 JavaScript。

在 Rails 的 layout/application.html.erb 中,JavaScript 就被放在 <head> 裡面,優化的辦法有幾種:

傳統做法:將 script 移到底部

傳統做法是將 <script> 的加載移出 <head>,放在 HTML 底部,</body> 上一行。例如:

  ....
+  <%= javascript_include_tag 'application' %>
  </body>

這個做法的優點是所有瀏覽器都支援,但是缺點是與 Rails 的 Turbolinks 功能是沖突不相容的(請復習 “Ajax 互動式網頁應用” 教程 “3-1 Turbolinks 坑”),因為 Turbolinks 的作用就是保留 <head> 用 Ajax 替換 <body> 區塊,如果把 JavaScript 移出 <head> 那 Turbolinks 就會不正常運作。

新標準做法:async 和 defer 屬性

新的瀏覽器標準可以透過 async 或 defer 屬性,告訴瀏覽器這個 JavaScript 加載可以是非同步的,不要阻擋 HTML 的 rendering。

修改 app/views/layout/application.html.erb

-  <%= javascript_include_tag 'application', 'data-turbolinks-track': 'reload' %>
+  <%= javascript_include_tag 'application', 'data-turbolinks-track': 'reload', :async => true %>

或是

-  <%= javascript_include_tag 'application', 'data-turbolinks-track': 'reload' %>
+  <%= javascript_include_tag 'application', 'data-turbolinks-track': 'reload', :defer => true %>

async 和 defer 的差別是:

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async 的話,瀏覽器不會阻擋 HTML 的渲染,當 JavaScript 下載完成時就會直接執行 JavaScript,不會等 HTML DOM 加載。

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defer 的話,瀏覽器也不會阻擋 HTML 的渲染,但是當 JavaScript 下載完成後,會等 HTML 加載完成,才會執行 JavaScript。如果 JavaScript 裡面有依賴 DOM 的話,適合用這個方式。

async 和 defer 是瀏覽器的新標準,優點是可以比傳統做法效果更好。但是缺點是舊的瀏覽器支援不好,IE<=9 的版本不支援。

Inline 型式的 JavaScript 問題

無論是底部或 async/defer 做法,JavaScript 執行的順序都需要註意不然會出錯。之前在實戰應用章節中都假設 JavaScript 是放在 head,因此放在 HTML 內的 JavaScript 會出錯。例如在 app/views/events/_form.html.erb 中,我們在 HTML body 裡面寫了:

<script>
  $("#event_category_id").select2( { theme: "bootstrap"} );
</script>

但是這段代碼無論是用 JavaSript 改放在下方,或是用 async/defer 的方法,都會因為找不到 jQuery 的 $ 而出錯,因為它的執行順序跑在 jQuery 加載之前了 :(

那要怎麽調整呢?

若是採用 script 在底部的調整方式:

解決方式是我們在 javascript_include_tag 下再多加一行 yield :custom_javascript,這會在 layout 樣板中先佔一個位置。

   <%= javascript_include_tag %>
+  <%= yield :custom_javascript %>
   </body>

然後再將 HTML body 裡面的 JavaScript 代碼,用 content_for 包起來。那麽這一段 script 最後顯示的時候,就會塞到上述的 yield 位置裡面,也就是會在javascript_include_tag 之後才被執行了。例如:

<%= content_for :custom_javascript %>
  <script>
    $("#event_category_id").select2( { theme: "bootstrap"} );
  </script>
<% end %>

若是採用 defer 的調整方式:

將原本寫的 JavaScript 代碼,延後到 DOMContentLoaded 事件後才觸發:

例如實戰應用中的 app/views/admin/events/_form.html.erb 本來有一段使用 select2 的代碼:

  <script>
+   window.addEventListener('DOMContentLoaded', function() {
      $("#event_category_id").select2( { theme: "bootstrap"} );
+   })
</script>

async 的調整方式:

HTML 中不能有 inline 形式的 JavaScript 了,因為我們不知道那些 async 的 JavaScript 到底什麽時候會被加載,因此所有代碼都必須放在打包後的 application.js 中。請將把 layout 的 <body> 改成 <body id="<%= "#{controller_name}-#{action_name}"%>">,這樣就可以在全局載入的 application.js 中指定只有這一頁才執行的js code,例如:

$(document).ready(function(){
  if ( $("#events-edit").length > 0 ) {
    $("#event_category_id").select2( { theme: "bootstrap"} );
  }
})

實地測試

由於需要用 Rails 的 Production 模式才能正確的測試效果,為了方便大家實地看看效果,在以下網址提供了不同做法,你可以用 Chrome 除錯器的 Performacne 功能測試看看:

此範例網站 www.rails-recipes.win 已關站,程式碼在 https://github.com/ihower/rails-recipes/blob/done/app/views/layouts/application.html.erb 用不同 params[:js] 參數決定 js 位置來做實驗。

CSS 加載最佳化

CSS 也被瀏覽器視為一種 render blocking 的資源,當瀏覽器解析 HTML 看到 <link href="style.css" rel="stylesheet"> 時,就會等待完整解析這個 CSS 後,才會繼續渲染畫面。

要渲染 HTML 畫面,加載 CSS 是必要的,但是 Rails 預設的 application.css 是將全部的 CSS 打包,我們可以拆出一些關鍵的 CSS 包成一個檔案,這個檔案比較小,因此可以加速首次渲染頁面的時間。然後將其他沒這個重要的 CSS 包在另一個檔案,透過非同步加載的方式。詳細可以參考這篇的做法 Optimize CSS delivery in Rails app

6. CDN

前面我們提到伺服器如果離用戶比較近,網路傳輸的時間就會比較快。不過如果用戶散佈是世界各地的話,那麽伺服器放哪裡都會有人距離比較遠,這種情況怎麽辦呢?

這時候我們就會使用 CDN (Content delivery network) 這種網路服務來加速靜態檔案的下載。

CDN 是專門用來提供靜態檔案的伺服器,服務商在各大城市都有部署 CDN 伺服器,因此用戶會從距離最近的 CDN 伺服器下載靜態檔案,如果 CDN 上面沒有需要的檔案,那麽 CDN 會從我們的伺服器上下載一份回去快取起來。

例如你的伺服器放在日本,但是台北有 CDN 節點,於是用戶需要的圖片就會從台北的 CDN 下載。只有靜態檔案例如 CSS/JavaScript和圖片等會被快取放在 CDN 上,如果是動態產生的內容,用戶就會要訪問我們自己的伺服器了。

首先我們需要將 HTML 網頁上靜態檔案網址分開,改成 CDN 的網址:

  • 例如伺服器網站是 www.jd.com,你會從這個網址先下載 HTML
  • 但是 HTML 上的圖片網址則是不同的,例如是 cdn.jd.com 好了,這個是 CDN 的網址
  • CDN 技術做的是針對不同地區的用戶,自動提供他們最近的點下載檔案
    • 不同地區的用戶,針對 cdn.jd.com 會解析出不同的 IP 地址,選擇用最近的伺服器
    • 如果 CDN 上有檔案快取,就直接從 CDN 上吐給用戶
    • 如果 CDN 上沒有檔案快取,就從原站拉一份,快取在 CDN 上

如何在 Rails 上實現

你不需要去改網站上的 image_tag 一個一個處理。

只要在 Rails 上改全站的圖片來源,只要修改 config/enviorments/production.rb 里的這一行就可以了。

config.action_controller.asset_host = "https://cdn.jd.com"

這樣全站的 image/css/js 網址,就會全部變成

  • cdn.jd.com/images/demo.jpg
  • cdn.jd.com/assets/admin.css
  • cdn.jd.com/assets/admin.js

在哪可以找到 CDN 服務

上述服務在中國境內沒有節點,中國境內請用以下(但你的網站需要有ICP備案才能申請使用)

預熱網路連接(Resource Hint)

本節尚未完成

https://medium.com/reloading/preload-prefetch-and-priorities-in-chrome-776165961bbf https://www.keycdn.com/blog/resource-hints/ https://css-tricks.com/prefetching-preloading-prebrowsing/

使用頁面框架,對高消耗組建延遲加載(字體,JS文件,循環播放,視頻和內嵌框架)。使用資源提示來節省在dns-prefetch(指的是在後台執行DNS檢索),preconnect(指要求瀏覽器在後台進行握手鏈接(DNS,TCP,TLS)),prerender(指要求瀏覽器在後台對特定頁面進行渲染)

preload(指的是提前取出暫不執行的源文件)。根據你瀏覽器的支持情況,盡量使用preconnect來代替dns-prefetch,而且在使用prefetch和prerender要特別小心——後者(prerender)只有在你非常確信用戶下一步操作的情況下再去使用(比如購買流程中)。

進一步減少 Requests 數量和大小

清理 CSS

本節尚未完成

CSS 寫多了,很可能有些 CSS 根本沒有用到,以下工具可以幫我們檢查清理沒有用的 CSS

壓縮圖片

本節尚未完成

網頁上的圖片也需要有適當的大小和壓縮

這也是為什麽用 carrywave 時,上傳圖片時,會先壓縮成不同大小

另外,常見的 JPG 和 PNG 都已經歷史悠久

Google 最新推出的 webp 格式更棒,只是只有 Chrome 支援。

Lazy Load 圖片

本節尚未完成

讓在可視範圍外的圖片不加載,等到即將進入可視範圍時才進行加載。透過這個方法可讓資源請求分散,而不是集中在一起,且如果使用者還沒瀏覽到該處就離開網站,也可以達到減少請求的目的。

https://github.com/aFarkas/lazysizes

參考資料

  • Google 的效能指南以及PageSpeed Insights 的評分標準
  • https://www.railsspeed.com
  • https://hackernoon.com/optimising-the-front-end-for-the-browser-f2f51a29c572
  • https://developers.google.com/web/fundamentals/performance/critical-rendering-path/
  • https://varvy.com/pagespeed/critical-render-path.html
  • https://www.w3ctech.com/topic/1945 翻譯
  • https://www.smashingmagazine.com/2016/12/front-end-performance-checklist-2017-pdf-pages/ 原文英文,這很雜,但很 cutting-edge
  • https://hackernoon.com/optimising-the-front-end-for-the-browser-f2f51a29c572 解釋不錯
  • https://medium.com/@Negaihoshi/前端性能優化與-seo-e7173108088f

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