前端多数据渲染优化

前言

在前一段时间做一个需求的时候, 碰到一个自定义列表的功能, 他的所有数据显示都是通过 jSON 字符串来存储,使用也是通过 JSON 解析 起先他是有数据上限的, 但是后面提高上限后就出现了卡顿等问题,
所以本文就是介绍一些方案来解决前端大量数据的渲染问题

方案 innerHTML

首先是在很久很久之前的渲染方案 innerHTML 插入, 他是官方的 API, 性能较好

这是一个简单的 HTML 渲染例子(在试验时数据取10w级别, 扩大差异, 实际中基本会小于这个级别)

    const items = new Array(100000).fill(0).map((it, index) => {
    return `<div>item ${index}</div>`
}).join('')
content.innerHTML = items

来自谷歌的性能分析:

在 10 秒内进行了页面的刷新和滚动, 可以看到 dom 的渲染阻塞了页面 1300 ms

在性能检测中, 总阻塞时间控制在300毫秒以内才是一个合格的状态, 这个时间还会受电脑硬件的影响

总结下这个方法的优缺点:

• 优点: 性能相对可以接受, 但数据较多时也同样有阻塞
• 缺点:
  • 有注入的危险, 和框架的搭配较差
  • 在 dom 过多时并没有解决滚动的性能问题

批量插入

通过分片来插入, 假如有 10W 条数据, 我们就分成 10 次, 每次 1w 条循环插入

    [...new Array(10)].forEach((_, i) => {
    requestAnimationFrame(() => {
        [...new Array(10000)].forEach((_, index) => {
            const item = document.createElement("div")
            item.textContent = `item ${i}${index}`
            content.append(item)
        })
    })
})

经过谷歌分析:

这里也是包括的页面刷新和滚动的性能分析, 可以看到阻塞时间为 1800 毫秒, 相较 innerHTML 来说会差一点, 这是在 10w 的这个数量级, 数量越小, 时间的差距也会越小

关于 requestAnimationFrame

其中 requestAnimationFrame 的作用: 此方法会告诉浏览器希望执行动画并请求浏览器在下一次重绘之前调用回调函数来更新动画。

执行方式: 当执行 requestAnimationFrame(callback)的时候，不会立即调用 callback 回调函数，会将其放入回调函数队列,
当页面可见并且动画帧请求callback回调函数列表不为空时，浏览器会定期将这些回调函数加入到浏览器 UI 线程的队列中（由系统来决定回调函数的执行时机）

总的来说就是不会阻塞其他代码的执行, 但是总的执行时间和 innerHTML 方案差不太多

总结下优缺点:

• 优点: 不会阻塞代码的运行
• 缺点:
  • 插入所花费的总时间仍旧和 innerHTML 差不太多
  • 同样地, 在 dom 过多时也没有解决滚动的性能问题

其他原生方式 canvas

canvas 是专门用来绘制的一个工具, 可以用于动画、游戏画面、数据可视化、图片编辑以及实时视频处理等方面。

最近在著名框架 Flutter 的 Web 中就是使用 canvas 来渲染页面的

同样我们也可以使用 canvas 来渲染大量的数据

<div style="max-height: 256px;max-width:256px;overflow: scroll;">
    <canvas id="canvas"></canvas>
</div>

    let ctx = canvas.getContext('2d');
[...new Array(100000)].map((it, index) => {
    ctx.fillText(`item ${index}`, 0, index * 30)
})

经过实际的尝试, canvas 他是有限制的,最大到 6w 左右的高度就不能再继续放大了, 也就是说在大量数据下, canvas 还是被限制住了

进一步优化

这里提供一个优化思路, 监听外层 DOM 的滚动, 根据高度来动态渲染 canvas 的显示, 能达到最终的效果, 但是这样成本还是太高了

• 优点: 在渲染数量上性能很好
• 缺点:
  • 想要实现虚拟列表一样的渲染, 不可控(在其他场景下是一种比较好的方案, 比如动画,地图等)
  • 在 canvas 中的样式难以把控

IntersectionObserver

IntersectionObserver 提供了一种异步观察目标元素与视口的交叉状态，简单地说就是能监听到某个元素是否会被我们看到，当我们看到这个元素时，可以执行一些回调函数来处理某些事务。

注意:
IntersectionObserver的实现，应该采用requestIdleCallback()，即只有线程空闲下来，才会执行观察器。这意味着，这个观察器的优先级非常低，只在其他任务执行完，浏览器有了空闲才会执行。

通过这个 api 我们可以做一些尝试, 来实现类似虚拟列表的方案

这里我实现了往下滑动的一个虚拟列表 demo, 主要思路是监听列表中所有的 dom, 当他消失的时候, 移除并去除监听, 然后添加新的 DOM和监听

核心代码:

    const intersectionObserver = new IntersectionObserver(function (entries) {
        entries.forEach(item => {
            // 0 表示消失
            if (item.intersectionRatio === 0) {
                // 最后末尾添加
                intersectionObserver.unobserve(item.target)
                item.target.remove()
                addDom()
            }
        })
    });

谷歌的性能分析(首次进入页面和持续滚动 1000 个 item):

可以看到基本是没有阻塞的, 此方案是可行的, 在初始渲染和滚动之间都没问题

详情点击可以查看, demo只实现了往下滚动方案:
https://codesandbox.io/s/snowy-glade-w3i9fh?file=/index.html

进一步优化

现在 IntersectionObserver 已经实现了类似虚拟列表的功能了, 但是频繁的添加监听和解除, 怎么都看起来会有隐患, 所以我打算采取扩大化的方案:

大概的思路:

当前列表以 10 个为一队,当前列表总共渲染 30 个, 当滚动到第 20 个时, 触发事件, 加载第 30-40 个, 同时删除0-10 个, 后面依次触发

这样的话触发次数和监听次数会呈倍数下降, 当然代价就是同事渲染的 dom 数量增加, 后续我们再度增加每一队的数量, 可以维持一个
dom 数和监听较为平衡的状态

兼容

关于 IntersectionObserver 的兼容, 通过 polyfill, 可获得大多浏览器的兼容, 最低支持 IE7, 具体可查看: https://github.com/w3c/IntersectionObserver/tree/main/polyfill

总结下优缺点:

• 优点: 利用原生 API 实现的一种虚拟列表方案, 没有数据瓶颈
• 缺点:
  • 生产中的框架的适配性不够高, 实现较为复杂
  • 在无限滚动中频繁触发监听和解除, 可能存在某些问题

框架

前面说了那么多方法, 都是在非框架中的实现, 这里我们来看一下在 react 中列表的表现

react

这是一个长度为 1万 的列表渲染

function App() {
  const [list, setList] = useState([]);

  useEffect(() => {
    setList([...new Array(50000)]);
  }, []);

  return (
    <div className="App">
      {list.map((item, index) => {
        return <div key={index}>item {index}</div>;
      })}
    </div>
  );
}

在 demo 运行的时候可以明显地感知到页面地卡顿了

通过谷歌分析, 在 5 万的数量级下, 重新刷新之后, 10 秒仍然没有渲染完毕
当然框架中的性能肯定是没有原生强的, 这个结论是在意料之内的

在线 demo 地址: https://codesandbox.io/s/angry-roentgen-25vipz

还需要注意的一点是, 大量数据在 template 中的传输问题:

// 这个 list 的数量级是几千甚至上万的, 会导致卡顿成倍的增加, 
<Foo list={list}/>

这个结论不管是在 vue 中还是 react 都是适用的, 所以大量数据的传递, 就得在内存中赋值,获取, 而不是通过模块,render 等常规方式

如果数量级在是 100 的, 我们也可以考虑优化, 可以积少成多

startTransition

在 react18 中还会有新的 API startTransition:

startTransition(() => {
    setList([...new Array(10000)]);
})

这个 API 的作用, 和我上面所说的 requestAnimationFrame 大同小异, 他并不能增强性能, 但是可以避免卡顿, 优先渲染其他的组件, 避免白屏

虚拟列表

这里正式引入虚拟列表的概念

储存所有列表元素的位置，只渲染可视区 (viewport)内的列表元素，当可视区滚动时，根据滚动的 offset 大小以及所有列表元素的位置，计算在可视区应该渲染哪些元素。

一张动图看懂原理:

最小实现方案

这里我们尝试下自己实现一个最小的虚拟列表方案:

// 这是一个 react demo, 在 vue 项目中, 原理类似, 除了数据源的设置外基本没什么变化

// 数据源以及配置属性
const totalData = [...new Array(10000)].map((item, index)=>({
    index
}))
const total = totalData.length
const itemSize = 30
const maxHeight = 300

function App() {
  const [list, setList] = useState(() => totalData.slice(0, 20));

  const onScroll = (ev) => {
    const scrollTop = ev.target.scrollTop
    const startIndex = Math.max(Math.floor(scrollTop / itemSize) -5, 0);
    const endIndex = Math.min(startIndex + (maxHeight/itemSize) + 5, total);
    setList(totalData.slice(startIndex, endIndex))
  }

  return (
          <div onScroll={onScroll} style={{height: maxHeight, overflow: 'auto',}}>
            <div style={{height: total * itemSize, width: '100%', position: 'relative',}}>
              {list.map((item) => {
                return <div style={{
                  position: "absolute",
                  top: 0,
                  left: 0,
                  width: '100%',
                  transform: `translateY(${item.index *itemSize}px)`,
                }} key={item.index}>item {item.index}</div>;
              })}
            </div>
          </div>
  );
}

可查看在线 demo: https://codesandbox.io/s/agitated-shtern-phcg6z?file=/src/App.js

这就是一个最小巧的虚拟列表实例, 他主要分为 2 部分

1. 需要有容器包裹, 并且使用 CSS 撑大高度, 实际渲染的 item 需要使用 transform 来显示到正确的位置
2. 监听外部容器的滚动, 在滚动时, 动态切片原来的数据源, 同时替换需要显示的列表

来查看下他的性能:

基本没有阻塞, 偶尔会有一点点失帧

这个 demo 并不是一个最终的形态, 他还有很多地方可以优化
比如缓存, 逻辑的提取, CSS再度简化, 控制下滚动的触发频率, 滚动的方向控制等等, 有很多可以优化的点

其他库

• react-virtualized 很多库推荐的虚拟列表解决方案, 大而全
• react-window react-virtualized 推荐的库, 更加轻量级替代方案。
• react-virtual 虚拟列表的 hooks 形式, 类似于我的 demo 中的逻辑封装

chrome 官方的支持 virtual-scroller

在 Chrome dev summit 2018 上，谷歌工程经理 Gray Norton 向我们介绍 virtual-scroller，一个 Web 滚动组件，未来它可能会成为 Web 高层级 API（Layered
API）的一部分。它的目标是解决长列表的性能问题，消除离屏渲染。

但是, 开发了部分之后, 经过内部讨论, 还是先终止此 API, 转向 CSS 的开发
链接: https://github.com/WICG/virtual-scroller/issues/201
Chrome 关于 virtual-scroller 的介绍: https://chromestatus.com/feature/5673195159945216

content-visibility

这就是之后开发的新 CSS 属性

Chromium 85 开始有了 content-visibility 属性，这可能是对于提升页面加载性能提升最有效的CSS属性，content-visibility 让用户代理正常情况下跳过元素渲染工作（包括 layout 和 painting ），除非需要的时候进行渲染工作。如果页面有大量离屏（off-screen）的内容，借助 content-visibility 属性可以跳过离屏内容的渲染，加快用户首屏渲染时间，可以做到减少的页面可交互的等待时间

具体介绍: https://web.dev/content-visibility/

使用方式是直接添加 CSS 属性

#content {
  content-visibility: auto;
}

有点遗憾的是, 他的效果是增强渲染性能, 但是在大量数据初始化的时候, 依旧会卡顿, 没有虚拟列表来的那么直接有效

但是在我们减小首屏渲染时间的时候可以考虑利用起来

总结

在多数据下的性能优化, 有很多中解决方案

• requestAnimationFrame
• canvas
• IntersectionObserver
• startTransition
• 虚拟列表
• content-visibility

总的来说虚拟列表是最有效的, 同时也可以使用最简单 demo 级别来临时优化代码