前端最佳实践（一）——DOM操作

[wengjq]

1、浏览器渲染原理

在讲DOM操作的最佳性能实践之前，先介绍下浏览器的基本渲染原理。浏览器渲染展示网页的主流程大致可以用下图表示：

（图：WebKit 主流程）

分为以下四个步骤：

1. 解析HTML(HTML Parser)

2. 构建DOM树(DOM Tree)

3. 渲染树构建(Render Tree)

4. 绘制渲染树(Painting)

浏览器请求解析（Parser） HTML 文档，并将各标记逐个转化成 DOM 节点（DOM Tree）。同时也会解析外部 CSS 文件以及样式元素中的样式数据。HTML 中这些带有视觉指令的样式信息将用于创建另一个树结构：呈现树（Render Tree）。呈现树（Render Tree）包含多个带有视觉属性（如颜色和尺寸）的矩形。这些矩形的排列顺序就是它们将在屏幕上显示的顺序。呈现树（Render Tree）构建完毕之后，进入“布局”处理阶段，也就是为每个节点分配一个应出现在屏幕上的确切坐标。下一个阶段是绘制（Painting） - 浏览器会遍历呈现树（Render Tree），由用户界面后端层将每个节点绘制出来。

需要着重指出的是，这是一个渐进的过程。为达到更好的用户体验，浏览器会力求尽快将内容显示在屏幕上。它不必等到整个 HTML 文档解析完毕之后，就会开始构建呈现树和设置布局。在不断接收和处理来自网络的其余内容的同时，浏览器会将部分内容解析并显示出来。

2、Repaints and reflows

Repaint：可以理解为重绘或重画，当render tree中的一些元素需要更新属性，而这些属性只是影响元素的外观，风格，而不会影响布局的，例如改变背景颜色 。则就叫称为重绘。
Reflows：可以理解为回流、布局或者重排，当渲染树（render Tree）中的一部分(或全部)因为元素的规模尺寸，布局，隐藏等改变而需要重新构建。这就称为回流（reflow），也就是重新布局（relayout）。

回流或者重绘何时触发？

改变用于构建渲染树的任何内容都可能导致重绘或回流，例如：
1、添加，删除，更新DOM节点
2、用display: none（回流和重绘）或者visibility: hidden隐藏节点（只有重绘，因为没有几何更改）
3、添加样式表，调整样式属性
4、调整窗口大小，更改字体大小
5、页面初始化的渲染
6、移动DOM元素
。。。

我们来看几个例子：

var bstyle = document.body.style; // cache

bstyle.padding = "20px"; // reflow, repaint
bstyle.border = "10px solid red"; // another reflow and a repaint

bstyle.color = "blue"; // repaint only, no dimensions changed
bstyle.backgroundColor = "#fad"; // repaint

bstyle.fontSize = "2em"; // reflow, repaint

// new DOM element - reflow, repaint
document.body.appendChild(document.createTextNode('dude!'));

我们可以想象一下，如果直接在渲染树（render Tree）最后面增加或者删除一个节点，这对于浏览器渲染页面来说无伤大雅，因为只需要在渲染树（render Tree）的末端重绘那一部分变动的节点。但是，如果是在页面的顶部变动一个节点，浏览器需要重新计算渲染树（render Tree），导致渲染树（render Tree）的一部分或全部发生变化。渲染树（render Tree）重新建立后，浏览器会重新绘制页面上受影响的元素。重排的代价比重绘的代价高很多，重绘会影响部分的元素，而重排则有可能影响全部的元素。

3、DOM操作最佳实践

DOM操作带来的页面 Repaints 和 Reflows 是不可避免的，但可以遵循一些最佳实践来最大限度地减少Repaints 和 Reflows。如下是一些具体的实践方法：

3.1、合并多次的DOM操作

// bad
var left = 10,
    top = 10;
el.style.left = left + "px";
el.style.top  = top  + "px";

// better 
el.className += " theclassname";
// better
el.style.cssText += "; left: " + left + "px; top: " + top + "px;";

由于与渲染树更改相关的 Repaints and Reflows 是代价非常高，因此现代浏览器针对频繁的 Repaints and Reflows 有性能的优化。 一个策略是浏览器将设置脚本所需更改的队列，并分批执行。 这样，每个需要 Reflows 的几个变化将被组合，并且将仅计算一个 Reflows 。 浏览器可以添加排队的更改，然后在一定时间过去或达到一定数量的更改后刷新队列（并不是所有的浏览器都存在这样的优化。推荐的方式是把DOM操作尽量合并）。但有时脚本可能会阻止浏览器优化 Reflows ，并使其刷新队列并执行所有批量更改。 当您请求如下样式信息时（并非包含全部），会发生这种情况。见下图：

以上所有这些基本上都是请求有关节点的样式信息，浏览器必须提供最新的值。 为了做到这一点，它需要应用所有计划的更改，刷新队列，强行回流。所以在有大批量DOM操作时，应避免获取DOM元素的布局信息，使得浏览器针对大批量DOM操作的优化不被破坏。如果需要这些布局信息，最好是在DOM操作之前就去获取。

//bad
var bstyle = document.body.style;

bodystyle.color = 'red';
tmp = computed.backgroundColor;

bodystyle.color = 'white';
tmp = computed.backgroundImage;

bodystyle.color = 'green';
tmp = computed.backgroundAttachment;

//better
tmp = computed.backgroundColor;
tmp = computed.backgroundImage;
tmp = computed.backgroundAttachment;

bodystyle.color = 'yellow';
bodystyle.color = 'pink';
bodystyle.color = 'blue';

3.2、让DOM元素脱离渲染树（render Tree）后修改

（1）使用文档片段
DocumentFragments 是DOM节点。它们不是主DOM树的一部分。通常的用例是创建文档片段，将元素附加到文档片段，然后将文档片段附加到DOM树。在DOM树中，文档片段被其所有的孩子所代替。因为文档片段存在于内存中，并不在DOM树中，所以将子元素插入到文档片段时不会引起页面回流（Reflow）。当然，最后一步把文档片段附加到页面的这一步操作还是会造成回流（Reflow）。

var fragment = document.createDocumentFragment();
// 一些基于fragment的大量DOM操作
...
document.getElementById('myElement').appendChild(fragment);

（2）通过设置DOM元素的display样式为none来隐藏元素
原理是先隐藏元素，然后基于元素做DOM操作，经过大量的DOM操作后才把元素显示出来。

var myElement = document.getElementById('myElement');
myElement.style.display = 'none';
// 一些基于myElement的大量DOM操作
...
myElement.style.display = 'block';

（3）克隆DOM元素到内存中
这种方式是把页面上的DOM元素克隆一份到内存中，然后再在内存中操作克隆的元素，操作完成后使用此克隆元素替换页面中原来的DOM元素。

var old = document.getElementById('myElement');
var clone = old.cloneNode(true);
// 一些基于clone的大量DOM操作
...
old.parentNode.replaceChild(clone, old);

3.3、使用局部变量缓存样式信息

获取DOM的样式信息会有性能的损耗，所以如果存在循环调用，最佳的做法是尽量把这些值缓存在局部变量中。

// bad
function resizeAllParagraphsToMatchBlockWidth() {
    for (var i = 0; i < paragraphs.length; i++) {
        paragraphs[i].style.width = box.offsetWidth + 'px';
    }
}

// better
var width = box.offsetWidth;
function resizeAllParagraphsToMatchBlockWidth() {
    for (var i = 0; i < paragraphs.length; i++) {
        paragraphs[i].style.width = width + 'px';
    }
}

3.4、 设置具有动画效果的DOM元素为固定定位

使用绝对定位使得该元素在渲染树中成为 body 下的一个直接子节点，因此当它进行动画时，它不会影响太多其他节点。

4、具体例子

4.1、浏览器的批处理及回流

以下会通过一个具体例子来说明，链接地址如下：reflow。

第一次点击的代码如下：

function touch() {
  bodystyle.color = 'red';
  bodystyle.padding = '1px';
  tmp = computed.backgroundColor;
  bodystyle.color = 'white';
  bodystyle.padding = '2px';
  tmp = computed.backgroundImage;
  bodystyle.color = 'green';
  bodystyle.padding = '3px';
  tmp = computed.backgroundAttachment;
}

第二次点击的代码如下：

function touchlast() {
  tmp = computed.backgroundColor;
  tmp = computed.backgroundImage;
  tmp = computed.backgroundAttachment;
  bodystyle.color = 'yellow';
  bodystyle.padding = '4px';
  bodystyle.color = 'pink';
  bodystyle.padding = '5px';
  bodystyle.color = 'blue';
  bodystyle.padding = '6px';
}

以下我们将通过谷歌工具来查看这两次操作有什么异同。

4.1.1、首先用谷歌浏览器打开如上的链接。按下F12，切换到Performance选项

结果如下图：

4.1.2、按下ctrl + E（或者点击小圆点）开始录制，点击 body 区域，待文字变成绿色后点击“stop”停止录制

结果如下图：

4.1.3、选中上图中蓝色（js堆）突然升高的部分，表示刚才点击body的过程，滚动鼠标放大主线程

结果如下图，注意箭头指的地方：

从上图我们可以很容易看到在点击body的过程中，浏览器计算了3次样式。

4.1.4、点击圆点旁边的clear按钮清空，重复上述的操作，直到文字变蓝色停止：

结果如下图，注意箭头指的地方：

从上图我们可以很容易看到在再次点击body的过程中，浏览器只计算了1次样式。从而可以证明我们上述的浏览器批处理的结论。未优化的Rendering（渲染）时间为0.4ms，而优化后的Rendering（渲染）时间为0.3ms，在这么小的js执行都有这么大的差别，在一些操作DOM频繁的动画中，浪费的性能可想而知，后面将会有一个动画的例子可以直观的看出来。

4.2、频繁回流造成的影响

谷歌文档给的例子，链接地址如下：animation。

优化前的代码：

var pos = m.classList.contains('down') ?
          m.offsetTop + distance : m.offsetTop - distance;
      if (pos < 0) pos = 0;
      if (pos > maxHeight) pos = maxHeight;
      m.style.top = pos + 'px';
      if (m.offsetTop === 0) {
        m.classList.remove('up');
        m.classList.add('down');
      }
      if (m.offsetTop === maxHeight) {
        m.classList.remove('down');
        m.classList.add('up');
      }

优化后的代码：

var pos = parseInt(m.style.top.slice(0, m.style.top.indexOf('px')));
      m.classList.contains('down') ? pos += distance : pos -= distance;
      if (pos < 0) pos = 0;
      if (pos > maxHeight) pos = maxHeight;
      m.style.top = pos + 'px';
      if (pos === 0) {
        m.classList.remove('up');
        m.classList.add('down');
      }
      if (pos === maxHeight) {
        m.classList.remove('down');
        m.classList.add('up');
      }

先节流cpu，然后加多小“谷歌”图标，直到图标速度明显减慢，再点击“Optimize”优化按钮，可以明显感受出差距。至于如何节流cpu及定位问题可以参考我的另外一篇文章什么？页面卡顿？操作慢？。