Webcourse/13-前端性能优化/01-前端性能分析工具和指标.md

## 性能指标和优化目标之：加载

性能指标：我们在性能优化过程中可以参考的标准。这些标准都是业界或者前人总结出来的指导性经验。我们可以参考这些指标，去指导我们自己的优化。

### 打开网站的初体验

我们以淘宝网站为例，按下F12打开浏览器的调试模式。

![](http://img.smyhvae.com/20210115_1601.png)

上图中，鼠标右键点击“刷新”图标（或者鼠标长按刷新图标，松开鼠标后），会弹出三个选项，我们选择最后一个选项“清空缓存并硬性重新加载”。

补充：这三个选项都是在调试模式下（按下F12弹出调试面板）才会出现的。

浏览器的DevTools初印象：

![](https://img.smyhvae.com/20210115_1617.png)

上图中，打开 chrome 调试工具，点开「设置」icon，下面的四个选项中，除了“Group by frame”之外，其他的三个选项都可以勾选上。

我们可以看到淘宝网站的一些指标：

- 总资源量是 1.3M。
- DOM加载完成时间（DOMContentLoaded）：511ms。这是一个很关键的指标。
- 其他资源的总加载时间是 1.05秒。

我们再来对比一下京东的：

![](http://img.smyhvae.com/20210116-1357.png)



### 保存快照

network里的信息挺多，我们可以将其保存下来，留着以后做分析、做对照。

![](http://img.smyhvae.com/20210115-1723.png)

如上图所示，我们可以在 network 的空白处右键，选择“Save all as HAR with content”，将 network 信息保存为 **HAR**文件格式。

**HAR是一种标准的Web格式，用户保存性能测试的结果。里面的数据是json格式。**

我们可以使用第三方的 HAR 分析软件来打开 HAR 文件，比如：

- [Google 提供的 HAR 分析器](https://toolbox.googleapps.com/apps/har_analyzer/?lang=zh-CN)

- Fiddler 抓包工具

注意，HAR 文件包含了一些敏感信息：

![](http://img.smyhvae.com/20210115-1733.png)

### 瀑布图 Waterfall

![](http://img.smyhvae.com/20210115_1618.png)

瀑布图可以非常直观地把网站的加载过程，用自上而下的方式表达出来，就像瀑布一样。

瀑布图有两中解读方式：一种是横向看，一种是纵向看。

**1、横向看**：

横向看的是具体的资源，每一行代表某个资源的加载信息。里面有一些色块来表达加载的过程，每个块的颜色不同。也就是说资源的下载不是单一的过程，而是经历了很多环节。

为了了解资源的具体加载过程，我们把鼠标悬浮在第一个资源的色块上，可以看见一个详情列表：

![](http://img.smyhvae.com/20210115_1632.png)

（1）等待：

- Queueing：排队。浏览器会对资源的请求做优先级排序。

（2）连接：

- DNS Lookup：DNS域名解析。每个资源都有域名，对域名做DNS解析，然后找到对应服务器的IP地址。

- initial connection：客户端和服务器之间建立TCP连接。

- SSL证书：该网站为了保证安全性，使用了 https 协议，启用了SSL证书。启用之后，需要做安全认证（SSL协商），这个过程也会耗时。到这里位置，我们可以看到，在请求资源之前，有很多的前置步骤。

（3）请求和响应：

- Request sent：到这一步，真正开始请求资源。

- Waiting（**TTFB**）：资源从请求到响应，有一个等待的时间。

- Content Download：收到响应后，资源的下载时间。如果值越大，表明下载时间越长。有些同步加载的资源会造成阻塞，导致网页的整体加载时间过长，让用户等待太久。

**TTFB** 是一个很重要的指标，它表示的是：请求发出到响应，到底要经历多久。TTFB 可以给我们一个很直观的感受，我们网站的请求和响应到底是快还是慢，很大程度上是由 TTFB 决定。

影响 TTFB 的因素是什么呢？比如：

- 后台的处理能力的响应速度。

- 网络状况：是否有网络延迟。

**2、纵向看**：（主要看两点）

（1）看资源与资源之间的联系：如果发生阻塞，说明资源可能是串行地按顺序加载。可以**按需要适当调整为并行**。

（2）看关键的时间节点。Waterfall 中有**两根时间线**：蓝色的线是 DOM 加载完成的时间，红色的线是所有资源加载完成的时间。



## 性能指标和优化目标之：交互

上面的内容讲的是**加载**的性能，还有一个需要关注的性能指标是**交互**。也就是网站加载完成后，用户真正开始使用这个网站过程中的的交互体验。

关于交互体验的性能，我们需要关注的是：

- 交互动作的**响应时间**要短：比如点击按钮后的弹窗、在搜索框里输入关键字后的搜索结果。

- 页面滚动要流畅：可以查看 FPS 帧率。

- 异步请求接口的完成时间要短：比如关注/取关主播的响应、领取红包的操作。

### FPS帧率、FRS

这里首先科普两个概念：

- 刷新率：显示器每秒有多少帧画面。大多数显示器的刷新率是60帧/秒（即60hz）。
- 帧率（FPS：frames per second）：视频或者动画的内容本身，每秒有多少帧。由显卡输出帧率。

上面的两个参数中，不要把「刷新率」和「帧率」弄混了。「刷新率」是屏幕的参数，「帧率」是图像、视频等内容的参数。人眼最终看到的效果，是以最低的参数为准的。

目前，市场主流手机和电脑屏幕的刷新率基本都是60Hz，即每秒显示60帧画面。也就是说，当我们在使用手机的时候，本质上是手机在连续播放一张张静态图片，每秒播放60张，让肉眼误认为眼前的画面在动。

![](http://img.smyhvae.com/20210107_2115.gif)

持续滑动的过程中，如果页面输出到显示器的帧率低于60帧/秒，则人眼会感觉卡顿。

那么，在浏览器中如何实时显示内容的 FPS 参数呢？打开浏览器的控制台后，按住快捷键「Cmd + Shift + P」，然后输入 `frame`，选择`Show frames per second（FPS） meter`。如下：

![](http://img.smyhvae.com/20210115-1930.png)

![](http://img.smyhvae.com/20210115-2146.png)

**温馨提示**：

从 2020年7月起，chrome 官方已经取消了 fps参数的显示，改为了 [FRS](https://twitter.com/addyosmani/status/1281483292026400768)：

![](http://img.smyhvae.com/20210115-2006.png)

FRS参数观察的是丢帧率：

![](http://img.smyhvae.com/20210115-2010.png)


Chrome官方给我们提供了下面这个网站，用于观察 FPS 效果：

- <http://googlesamples.github.io/web-fundamentals/tools/chrome-devtools/rendering-tools/forcedsync.html>

如果实在想要看fps，我们可以借助第三方的 [chrome 插件]()来查看 fps参数。

## 用 RAIL 模型测量性能

RAIL 模型是Google提出的可以量化性能的测量**标准**。我们做性能优化时，要尽可能到这个标准。

在做性能优化的时候，我们需要有人告诉我们：做到多好才算好？有没有一些通用的标准？而 RAIL 模型 可以给我们带来量化的指标。

**RAIL 模型包括四个方面**：

![](http://img.smyhvae.com/20210115-2027.png)

- Response：响应

- Animation：动画

- Idle：空闲时间

- load：加载

参考链接：

- [[Web翻译]用RAIL模型测量性能](https://juejin.cn/post/6872474167543857165)

- <https://web.dev/rail/>

**RAIL 的目标**：

- 让良好的用户体验成为性能优化的目标

接下来，我们再看看看 RAIL 的评估标准。

### 1、响应

**目标**：处理用户发起的响应，应该在 50ms 内完成。

**准则**：

- 在50毫秒内处理用户输入事件。这适用于大多数输入，如点击按钮、切换表单控件或启动动画。这不适用于触摸拖动或滚动。

- 对于需要超过50毫秒才能完成的操作，需要提供反馈。


![](http://img.smyhvae.com/20210115-2039.png)

如上图所示，Google经过大量研究发现，用户能够接受的最高延时是100ms。所以，从用户发起交互请求（输入任务）后，前端最好能在100ms内给出反馈。

**但是我们的预算只有50毫秒**。因为应用程序在接收到输入任务的时候，不一定会马上着手处理，它可能还有其他工作正在进行，这意味着当前的输入任务可能需要排队50ms左右。所以我们真正能处理这个请求的时间，并没有100ms。


### 2、动画

**目标**：在10毫秒或更短的时间内制作出动画中的每一帧。（即：100帧/秒。）

我们知道，当动画的帧率是 >= 60帧/秒 的时候，人眼才不会觉得卡顿。此时的理论值为 1000毫秒/60帧 = 16.6 毫秒/帧。

10毫秒和16毫秒之间，隔了6秒。这6秒是什么呢？因为浏览器需要大约6毫秒的时间来渲染每一帧，所以，每一帧的准则建议是10毫秒，而不是 16.6毫秒。

假设动画本身是60帧/秒，那么，最终渲染出来的效果可能只有 45帧/秒。

**广义的动画**：

动画不仅仅是花哨的UI效果。每一种交互都被认为是动画。比如：

- 视觉动画

- 滚动

- 拖动、平移元素、放大图片等。

### 3、空闲时间

**目标**：最大化闲置时间，增加页面在50毫秒内响应用户输入的几率。

这个空闲时间，是和上面的第一点“响应”是结合在一起的。只有空闲足够多，当用户的交互来的时候，我们才能有足够的时间进行处理。

**准则**：

- 利用空闲时间做延迟加载。例如，页面在初始化的时候，尽可能少的加载数据，然后利用空闲时间加载其余部分。

- 在空闲时间内处理任务，时间不能超过50毫秒。否则，就阻塞了用户做其他的输入请求，导致卡顿。

- 如果用户在闲置时间工作期间与页面进行交互，那么这个交互应始终处于最高优先级，并中断闲置时间工作。

### 4、加载

**目标**：在5秒或更短的时间内加载页面并可以交互。

**准则**：

- 这里的5秒包括：加载、解析、渲染，并确保用户可以交互。

- 加载的过程中，可以使用loading框、进度条、骨架屏等方式缓解用户焦虑。

## 使用Chrome DevTools 分析性能

现在主流的性能测量工具：

- Chrome DevTools：开发调试、分析性能。

- Lighthouse 网站整体质量评估。

- WebPageTest：给网站提供多个地点的测试，以及全面的性能报告。

这一段，我们先来讲一讲 Chrome DevTools 。

大家平时在用 Chrome DevTools 的时候，一般使用来开发调试、查看 DOM、css、接口请求等，但其实，这个工具非常强大。

### size：文件大小分析

![](http://img.smyhvae.com/20210116-0946.png)

可以把size从到小排序，看看哪个资源的文件较大。

另外，上图中的横线处说明：该文件在网络传输的时候会做压缩（125kb），拿到资源之后再解压还原（526kb）。



### performance：性能表现

![](http://img.smyhvae.com/20210116-0959.png)

preformance的两个作用：

- Record button：记录页面加载、用户交互等全过程，直到我们手动点击停止按钮。
- Reload button：记录页面从刷新到资源加载完成的过程。会自动停止记录。





参数解读：

- Timing：关键的时间节点。

- Main：主线程做了哪些任务，以及调用关系。

Timing参数中，尤其注意看`DCL`（DOMContentLoaded），即DOM加载完成的时间节点。我们可以通过`Main`参数看看DOM在加载完成之前，都做了些什么事情。很有可能就是这些事情导致 `DCL`的时间过晚。

我们可以翻到`Main`里的最后一行（即最终调用的位置），往往这个位置就是我们自己写的代码。



### Diable cache

![](http://img.smyhvae.com/20210116-1014.png)

上图中的`Diable cache`是一个很重要的设置选项。

勾选`Diable cache`：

- 不走缓存，相当于页面初次访问。
- 如果你希望改的代码立即生效，就一定要勾选上。

不勾选`Diable cache`：

- 走缓存，相当于页面二次、三次访问。
- 很多时候，我们需要关心用户在第二次、第三次访问时候，他的访问速度如何、性能如何、我们设置的缓存有没有生效。此时就不要勾选上。

### 模拟网络情况

![](http://img.smyhvae.com/20210116-1023.png)

模拟网络状况（自定义参数）：

![](http://img.smyhvae.com/20210116-1026.png)



### Performance monitor



![](http://img.smyhvae.com/20210116-1032.png)



### 快捷键ESC

按住快捷键ESC，会列出其他常用的功能菜单：

![](http://img.smyhvae.com/20210116-1028.png)





## 使用LightHouse分析性能

我们之所以使用不同的性能测量工具，是因为他们都有不同的特点。这一段要讲的 lighthouse 既可以帮我们生成简易的测试报告，还可以给出一些针对性的优化建议。后面要讲的 WebPageTest 可以帮我们生成详细的性能测试报告。

我们先来看看 Lighthouse。


### Lighthouse 介绍

![](http://img.smyhvae.com/20210115-1739.png)

lighthouse 是 chrome 浏览器的一个性能测量工具。我们先来看看它的性能指标，至于它具体使用，后续的内容再详细介绍。


淘宝跑分举例：


![](http://img.smyhvae.com/20210115-1758.png)

京东跑分举例：

![](http://img.smyhvae.com/20210115-1759.png)


Lighthouse 跑分里，最重要的两个指标如下：

- **First Contentful Paint（白屏时间）**：**从白屏到第一次出现内容的时间。**我们可以看到，上面提供了一些加载过程的截图，10屏里如果只有1到2屏是白屏，说明体验还是可以的。

- **Speed Index**：速度指数。

我们不需要关心这个指数是怎么来的，因为背后涉及一套很复杂的公式，我们暂时只需关注这个数值。

Speed Index 标准为4秒（超过4秒算比较慢的），我们测的淘宝的 speed index 是0.5s，很快了。但我们要结合网站本身的业务来**权衡**。并不是分数越高性能越高，比如百度这样的网站，页面上的内容很少，测出来的分数肯定很完美。而淘宝需要展示很多内容给用户看。所以，这个指标只是一个指导作用，并不一定能够达到最优的数值。

Lighthouse 的分析结果里，也给出了颜色标注：

- 红色：比较严重的性能问题
- 黄色：需要做适当优化
- 绿色：说明性能表现很好。

另外，Lighthouse  还会给出一些优化建议：

- Opportunities:优化建议。

- Diagnostics：问题诊断。

- Passed audits：表示这部分没有问题。

### 举例：确认某个JS 是否必须在首屏加载

就拿B站来举例，来看看它的lighthouse报告：


![](http://img.smyhvae.com/20210116_0107.png)

上图中给出了一个优化建议：有些JS文件不是首屏加载必须的。

![](http://img.smyhvae.com/20210116_0108.png)

我们随便拿一个JS文件来测试（比如上图中，Header标签里的JS文件）。做法如下：

![](http://img.smyhvae.com/20210116-0901.png)

如上图所示，在 chrome 控制台输入快捷键「Cmd + Shift + P」，然后输入文本`block`，选择`Show Network request blocking`：

![](http://img.smyhvae.com/20210116-0903.png)

按照上面的步骤添加规则，点击add后，效果如下：

![](http://img.smyhvae.com/20210116-0904.png)


然后，我们切换到控制台的 network面板，并刷新页面：

![](http://img.smyhvae.com/20210116-0905.png)

然后观察这个js资源是不是首屏加载所必须的。但我们也不能就此定论说这个资源一定可以延迟加载，也许它就是想让页面在一开始loading的时候就捕获日志。

对于我们自己的网站，这个资源是首屏加载必须的吗？一定要在第一时间加载吗？需要根据特定的业务做衡量。


### 通过npm运行 Lighthouse工具

```bash
# 安装
npm install -g lighthouse

# 执行
lighthouse https://www.jd.com

# 输出性能检测报告
Generating results...
html output witten to /Users/smyh/Documents/wpt-mac-agent/www.jd.com._2021-01-16_09-00-00.html
```






## 使用 WebPageTest 评估网站性能



程序员经常说的有句话是：“我这儿能打开啊。我这儿不报错呀。”大家应该都懂这个梗，这就是为什么，我们要借助第三方的测试工具，而不仅仅只是自己电脑上访问正常就ok了。

我们需要借助 WebPageTest 这样的第三方测试工具，去模拟各种用户的真实场景。


### WebPageTest 使用

网址：<https://www.webpagetest.org>

![](http://img.smyhvae.com/20210115-2203.png)


WebPageTest 在世界各地提供了非常多的服务器，在每个服务器上部署了不同的浏览器，可以让我们有针对性的做测试。如果你做的是一款国际化网站，那更有必要使用一下了。

我们以JD网站举例：

![](http://img.smyhvae.com/20210115-2225.png)

按照上面的选项配置完成后，点击右侧的「Start Test」即可开始测试。然后等待：

![](http://img.smyhvae.com/20210115-2226.png)

### WebPageTest 报告分析

淘宝网站性能测试报告：

- 2020年6月：https://webpagetest.org/result/200616_JK_78eebda338285ffe0c2e154ca5032839/

- 2021年1月：https://www.webpagetest.org/result/210115_DiCB_f1344d732760365151755e89765b2d37/

JD网站性能测试报告：

- 2021年1月：https://www.webpagetest.org/result/210115_DiGT_8d7370e91230b7d077e40b7aafb485a5/

拿到 WebPageTest 报告之后，我们来看看报告里的几个重点指标。

![](http://img.smyhvae.com/20210116_1314.png)

1、摘要里的参数：（如上图）

- First Byte：第一个请求的响应时间。可以反映后台的处理能力，以及网络回路的情况。
- Start Render：从白屏到首次渲染的时间。
- Speed Index：速度指数。
- **Total Blocking Time**：页面被阻塞，导致用户不能交互的累计时间。

![](http://img.smyhvae.com/20210116_1315.png)

2、详情里的参数：**First View**。

First View展示的是：首次访问时，总的加载时间。这里面提供的瀑布图，比 chrome DevTools里提供的更为详细。

点击进入 First View 的详情之后，可以看到：所有的资源请求，都会在这里列出来。如下：


![](http://img.smyhvae.com/20210116_1316.png)



- page is Interactive：页面在加载的过程中，大部分时间段，用户都是可以交互的。这是非常有用的一个指标。
- Brower Main thread：浏览器主线程的占用情况。可以看看空闲的时间多不多。
- CPU Utilization：CPU的使用情况。
- 多张图片的资源请求。

![](http://img.smyhvae.com/20210116_1317.png)

上图中，我们可以看到：多张图片的开始请求时间都是相同的。也就是说，如果让资源做**并行加载**，我们就可以加大地减少加载时间，**最终所消耗的时间就由最大的图片来决定**。这是一个很好的优化技巧，至于具体是怎么实现的，可以自行了解。


另外，我们看到，有一部分的请求，被高亮出来了：

![](http://img.smyhvae.com/20210115-2250.png)


上面这张图的意思是：302表示重定向，也就是说，这个资源已经不在原来请求的位置了，需要重定向才能找到真实的位置。这个地方其实可以做一个优化：

> 不需要去访问之前的无效的资源，可以直接去访问重定向后的那个资源。

### 局域网部署 WebPageTest 工具

如果我们开发的页面，还没有上线，公网则无法访问。这个时候我们也想通过WebPageTest看看网站的性能，那要怎么办呢？

我们可以在局域网部署 WebPageTest 工具，具体方法可自行研究。



## chrome插件：PageSpeed Insights



另外，google官方也有一个网址：https://developers.google.com/speed/pagespeed/insights/?hl=zh-cn

但是这个网站在使用时，经常挂掉。

这个插件是2018年的，已经好几年没更新了。大家参考即可。









## 实时动态测量性能的API

Chrome DevTools能够检测各种性能参数，其实也是调用了一些性能相关的标准API。我们自己也可以直接在代码里调用这些api。

通过 `performance`对象提供的API，我们可以实时的、精细化、自定义测量性能，获取相应的参数。也可以把这些性能参数，打印到控制台，或者实时上报给后台监控系统。

### performance：获取常见性能参数

常见性能参数，计算公式如下：

> 时间戳1减去时间戳2，得到的差值，就是我们想要看到的耗时。

- DNS 解析耗时: domainLookupEnd - domainLookupStart

- TCP 连接耗时: connectEnd - connectStart

- SSL 安全连接耗时: connectEnd - secureConnectionStart

- 网络请求耗时 (TTFB): responseStart - requestStart

- 数据传输耗时: responseEnd - responseStart

- DOM 解析耗时: domInteractive - responseEnd

- 资源加载耗时: loadEventStart - domContentLoadedEventEnd

- First Byte时间: responseStart - domainLookupStart

- 白屏时间: responseEnd - fetchStart

- 首次可交互时间（**TTI**）: domInteractive - fetchStart

- DOM Ready 时间: domContentLoadEventEnd - fetchStart

- 页面完全加载时间: loadEventStart - fetchStart

- http 头部大小： transferSize - encodedBodySize

- 重定向次数：performance.navigation.redirectCount

- 重定向耗时: redirectEnd - redirectStart

比如说，如果我们想要获取 TTI参数，代码可以这样写：

```javascript
// 计算一些关键的性能指标
window.addEventListener('load', (event) => {
    // Time to Interactive
    let timing = performance.getEntriesByType('navigation')[0];
    console.log(timing.domInteractive);
    console.log(timing.fetchStart);

    let diff = timing.domInteractive - timing.fetchStart;
    console.log("TTI: " + diff); // 打印 TTI 参数
})
```



### 观察长任务

```javascript
const observer = new PerformanceObserver((list) => {
    for (const entry of list.getEntries()) {
        console.log(entry)
    }
})

observer.observe({entryTypes: ['longtask']})
```



### 页面可见性的状态监听

使用场景举例：

- 比如说，我们正在做一个视频网站（或者游戏页面）。如果用户当前没有在看这个视频，而是切换别的页面了。此时，我们可以对视频做节流等处理，避免造成性能的浪费。等用户再回到当前页面之后，再恢复之前的状态。
- 当设备进入待机模式时（用户按下电源键关闭屏幕），网站想要关闭设备声音。

针对这种场景，我们可以使用`visibilitychange`进行监听：

```javascript
// 见面可见性的状态监听
let vEvent = 'visibilitychange';
if (document.webkitHidden != undefined) {
    // webkit prefix detected
    vEvent = 'webkitvisibilitychange';
}

function visibilityChanged() {
    if (document.hidden || document.webkitHidden) {
        console.log("Web page is hidden.")
    } else {
        console.log("Web page is visible.")
    }
}

document.addEventListener(vEvent, visibilityChanged, false);
```



### 网络状况监听

使用场景举例：

- 高清图片按需加载：如果用户的网络条件较好，就加载高清图片资源；如果网络条件不好，就加载文件较小的图片资源。

代码举例：

```javascript
var connection = navigator.connection || navigator.mozConnection || navigator.webkitConnection;

var type = connection.effectiveType;

function updateConnectionStatus() {
  // type是之前的网络状态，connection.effectiveType是当前最新的网络状态
  console.log("Connection type changed from " + type + " to " + connection.effectiveType);

  type = connection.effectiveType;
}

connection.addEventListener('change', updateConnectionStatus);
```

打印结果举例：

```
Connection type changed from 4g to 3g
```

### 检测元素的可见状态，做曝光埋点

我们可以通过`IntersectionObserver：`这个API来检测元素的可见状态：

![](http://img.smyhvae.com/20210117_1635.png)

做曝光上报的埋点：判断某个DOM（或者某个楼层）是否出现在视窗中，出现了就收集数据上报给服务端。

本质就是要计算某一元素和另一元素（视窗）的相对位置/相对可视状态，然后进行一些操作（一般是上报给服务端）。

参考：

- [前端埋点之曝光实现](https://cnodejs.org/topic/5e0a0edb0696c446bf650dec)
- [点击埋点和曝光卖点的封装](https://github.com/Hugohui/vueTrackSdk)