前端学堂
学有所用

HTTP/2 与 WEB 性能优化

Google 宣布在 16 年初放弃对 SPDY 的支持,随后 Google 自家支持 SPDY 协议的服务都切到了 HTTP/2。2015年 5 月 14 日,HTTP/2 以 RFC 7540 正式发布。目前,浏览器方面,Chrome 40+ 和 Firefox 36+ 都正式支持了 HTTP/2;服务器方面,著名的 Nginx 表示会在今年底正式支持 HTTP/2。

不得不说这几年 WEB 技术一直在突飞猛进,爆炸式发展。昨天还觉得 HTTP/2 很遥远,今天已经遍地都是了。对于新鲜事物,有些人不愿意接受,觉得好端端为什么又要折腾;有些人会盲目崇拜,认为它是能拯救一切的救世主。HTTP/2 究竟会给前端带来什么,什么都不是?还是像某些人说的「让前端那些优化小伎俩直接退休」?我打算通过写一系列文章来尝试回答这个问题,今天是第一篇。

提出问题

我们知道,一个页面通常由一个 HTML 文档和多个资源组成。有一些很重要的资源,例如头部的 CSS、关键的 JS,如果迟迟没有加载完,会阻塞页面渲染或导致用户无法交互,体验很差。如何让重要的资源更快加载完是我本文要讨论的问题。

HTTP/1

分析

我们先来考虑资源外链的情况。通常,外链资源都会部署在 CDN 上,这样用户就可以从离自己最近的节点上获取数据。一般文本文件都会采用 gzip 压缩,实际传输大小是文件大小的几分之一。服务端托管静态资源的效率通常非常高,服务端处理时间几乎可以忽略。在忽略网络因素、传输大小以及服务端处理时间之后,用户何时能加载完外链资源,很大程度上取决于请求何时能发出去,这主要受下面三个因素影响:

  • 浏览器阻塞(Stalled):浏览器会因为一些原因阻塞请求。例如在 rfc2616 中规定浏览器对于一个域名,同时只能有 2 个连接(HTTP/1.1 的修订版中去掉了这个限制,详见 rfc7230,因为后来浏览器实际上都放宽了限制),超过浏览器最大连接数限制,后续请求就会被阻塞。再例如现代浏览器在加载同一域名多个 HTTPS 资源时,会有意等第一个 TLS 连接建立完成再请求其他资源;
  • DNS 查询(DNS Lookup):浏览器需要知道目标服务器的 IP 才能建立连接。将域名解析为 IP 的这个系统就是 DNS。DNS 查询结果通常会被缓存一段时间,但第一次访问或者缓存失效时,还是可能耗费几十到几百毫秒;
  • 建立连接(Initial Connection):HTTP 是基于 TCP 协议的,浏览器最快也要在第三次握手时才能捎带 HTTP 请求报文。这个过程通常也要耗费几百毫秒;

当然我们一般都会给静态资源设置一个很长时间的缓存头。只要用户不清除浏览器缓存也不刷新,第二次访问我们网页时,静态资源会直接从本地缓存获取,并不产生网络请求;如果用户只是普通刷新而不是强刷,浏览器会在请求头带上协商字段 If-Modified-Since 或 If-None-Match,服务端对没有变化的资源会响应 304 状态码,告知浏览器从本地缓存获取资源。304 请求没有正文,非常小。

也就是说资源外链的特点是,第一次慢,第二次快。

再来看看资源内联的情况。把 CSS、JS 文件内容直接内联在 HTML 中的方案,毫无疑问会在用户第一次访问时有速度优势。但通常我们很少缓存 HTML 页面,这种方案会导致内联的资源没办法利用浏览器缓存,后续每次访问都是一种浪费。

解决

很早之前,就有网站开始针对第一次访问的用户将资源内联,并在页面加载完之后异步加载这些资源的外链版本,同时记录一个 Cookie 标记表示用户来过。用户再次访问这个页面时,服务端就可以输出只有外链版本的页面,减小体积。

这个方案除了有点浪费流量之外(一份资源,内联外链加载了两次),基本上能达到更快加载重要资源的效果。但是在流量更加宝贵的移动端,我们需要继续改进这个方案。

考虑到移动端浏览器都支持 localStorage,可以将第一次内联引入的资源缓存起来后续使用。缓存更新机制可以通过在 Cookie 中存放版本号来实现。这样,服务端收到请求后,首先要检查 Cookie 头中的版本标记:

  • 如果标记不存在或者版本不匹配,就将资源内联输出,并提供当前版本标记。页面执行时,会把内联资源存入 localStorage,并将资源版本标记存入 Cookie;
  • 如果标记匹配,就输出 JavaScript 片段,用来从 localStorage 读取并使用资源;

由于 Cookie 内容需要尽可能的少,所以一般只存总的版本号。这会导致页面任何一处资源变动,都会改变总版本号,进而忽略客户端所有 localStorage 缓存。要解决这个问题可以继续改进我们的方案:Cookie 中只存放用户唯一标识,用户和资源对应关系存在服务端。服务端收到请求后根据用户标识,计算出哪些资源需要更新,从而输出更有针对性的 HTML 文档。

这套方案要投入实际使用,要处理一系列异常情况,例如 JS / Cookie / localStorage 被禁用;localStorage 被写满;localStorage 内容损坏或丢失等等。考虑成本和实际收益,推荐只在移动项目中使用这种方案。

HTTP/2

对于 HTTP/2 来说,要解决前面这个问题简直就太容易了,开启「Server Push」即可。HTTP/2 的多路复用特性,使得可以在一个连接上同时打开多个流,双向传输数据。Server Push,意味着服务端可以在发送页面 HTML 时主动推送其它资源,而不用等到浏览器解析到相应位置,发起请求再响应。另外,服务端主动推送的资源不是被内联在页面里,它们有自己独立的 URL,可以被浏览器缓存,当然也可以给其他页面使用。

服务端可以主动推送,客户端也有权利选择接收与否。如果服务端推送的资源已经被浏览器缓存过,浏览器可以通过发送 RST_STREAM 帧来拒收。

可以看到,HTTP/2 的 Server Push 能够很好地解决「如何让重要资源尽快加载」这个问题,一旦普及开来,可以取代前面介绍过的 HTTP/1 时代优化方案。

我们知道,HTTP/2 并没有改动 HTTP/1 的语义部分,例如请求方法、响应状态码、URI 以及头部字段等核心概念依旧存在。HTTP/2 最大的变化是重新定义了格式化和传输数据的方式,这是通过在高层 HTTP API 和低层 TCP 连接之间引入二进制分帧层来实现的。这样带来的好处是原来的 WEB 应用完全不用修改,就能享受到协议升级带来的收益。

HTTP/2 的连接

HTTP/1 的请求和响应报文,都是由起始行、首部和实体正文(可选)组成,各部分之间以文本换行符分隔。而 HTTP/2 将请求和响应数据分割为更小的帧,并对它们采用二进制编码。下面这幅图中的 Binary Framing 就是新增的二进制分帧层:

先来看看这几个概念:

  • 帧(Frame):HTTP/2 数据通信的最小单位。帧用来承载特定类型的数据,如 HTTP 首部、负荷;或者用来实现特定功能,例如打开、关闭流。每个帧都包含帧首部,其中会标识出当前帧所属的流;
  • 消息(Message):指 HTTP/2 中逻辑上的 HTTP 消息。例如请求和响应等,消息由一个或多个帧组成;
  • 流(Stream):存在于连接中的一个虚拟通道。流可以承载双向消息,每个流都有一个唯一的整数 ID;
  • 连接(Connection):与 HTTP/1 相同,都是指对应的 TCP 连接;

在 HTTP/2 中,同域名下所有通信都在单个连接上完成,这个连接可以承载任意数量的双向数据流。每个数据流都以消息的形式发送,而消息又由一个或多个帧组成。多个帧之间可以乱序发送,因为根据帧首部的流标识可以重新组装。下面有一幅图说明帧、消息、流和连接的关系:

TCP

TCP 协议本身更适合用来长时间传输大数据,这样它的稳定和可靠性才能显露出来。HTTP/1 时代太多短而小的 TCP 连接,反而更多地将 TCP 的缺点给暴露出来了。

HTTP/1 的连接

在 HTTP/1 中,每一个请求和响应都要占用一个 TCP 连接,尽管有 Keep-Alive 机制可以复用,但在每个连接上同时只能有一个请求 / 响应,这意味着完成响应之前,这个连接不能用于其他请求(怎么判断响应是否结束,可以看这里)。如果浏览器需要向同一个域名发送多个请求,需要在本地维护一个 FIFO 队列,完成一个再发送下一个。这样,从服务端完成请求开始回传,到收到下一个请求之间的这段时间,服务端处于空闲状态。

后来,人们提出了 HTTP 管道(HTTP Pipelining)的概念,试图把本地的 FIFO 队列挪到服务端。它的原理是这样的:浏览器一股脑把请求都发给服务端,然后等着就可以了。这样服务端就可以在处理完一个请求后,马上处理下一个,不会有空闲了。甚至服务端还可以利用多线程并行处理多个请求。可惜,因为 HTTP/1 不支持多路复用,这个方案有几个棘手的问题:

  • 服务端收到多个管道请求后,需要按接收顺序逐个响应。如果恰好第一个请求特别慢,后续所有响应都会跟着被阻塞。这种情况通常被称之为「队首阻塞(Head-of-Line Blocking)」;
  • 服务端为了保证按顺序回传,通常需要缓存多个响应,从而占用更多的服务端资源,也更容易被人攻击;
  • 浏览器连续发送多个请求后,等待响应这段时间内如果遇上网络异常导致连接被断开,无法得知服务端处理情况,如果全部重试可能会造成服务端重复处理;
  • 另外,服务端和浏览器之间的中间代理设备也不一定支持 HTTP 管道,这给管道技术的普及引入了更多复杂性;

基于这些原因,HTTP 管道技术无法大规模使用,我们需要寻找其他方案。实际上,在 HTTP/1 时代,连接数优化不外乎两个方面:开源节流

开源

这里说的开源,当然不是「Open Source」那个开源。既然一个 TCP 连接同时只能处理一个 HTTP 消息,那多开几条 TCP 连接不就解决这个问题了。是的,浏览器确实是这么做的,HTTP/1.1 初始版本中允许浏览器针对同一个域名同时创建两个连接,在修订版(rfc7230)中更是去掉了这个限制。实际上,现代浏览器一般允许同域名并发 6~8 个连接。这个数字为什么不能更大呢?实际上这是出于公平性的考虑,每个连接对于服务端来说都会带来一定开销,如果浏览器不加以限制,一个性能好带宽足的终端就可能耗尽服务端所有资源,造成其他人无法使用。

但是,现在包含几十个 CSS、JSS,几百张图片的页面大有所在。为了进一步榨干浏览器,开更多的源,往往我们还会对静态资源做域名散列,将页面静态资源分散在多个子域下加载。多域名能提高并发连接数,也会带来很多问题,例如:

  • 如果同一资源在不同页面被散列到不同子域下,会导致无法利用之前的 HTTP 缓存;
  • 每个域名的第一个连接都要经历 DNS 解析的过程,这在移动端可能需要耗费几百毫秒;
  • 更多的并发连接 + Keep-Alive 机制,会显著增加服务端和客户端的负担;

这里稍微吐槽下:本地 TCP 连接和本地端口也是一种资源,为了做 WEB 性能优化,开更多的域名让浏览器创建更多的并发连接,是很霸道和不公平的做法。

另外,HTTP/1 协议头部使用纯文本格式,没有任何压缩,且包含很多冗余信息(例如 Cookie、UserAgent 每次都会携带),所以一个页面的请求数越多,头部带来的额外开销就越大。我们一般会用短小且独立的域名来托管静态资源,就是为了减小这个开销(域名越短请求头起始行的 URI 就越短,独立域名不会共享主域的 Cookie,可以有效减小请求头大小,这个策略一般称之为 Cookie-Free Domain)。

节流

由于我们不能无限制开源,所以节流也很重要。除了砍掉页面内容,第二次访问时利用 HTTP 缓存之外,通常能做的就只有合并请求了。根据合并的内容不同,一般又分为以下几种:

  • 异步接口合并(Batch Ajax Request);
  • 图片合并,雪碧图(CSS Sprite);
  • CSS、JS 合并(Concatenation);
  • CSS、JS 内联(Inline);
  • 图片、音频内联(Data URI);

上面这份列表并不完整,我也没打算列全,这些就足以说明 HTTP/1 时代我们在性能上所做过的不懈努力了。可惜,他们并不完美,分别列举一下他们的缺点:

异步接口合并:批量接口返回的时间受木桶效应影响,最慢的那个接口拖累了其他接口。

图片合并:首先,为了显示一张小图,而不得不加载合并后的整张大图,一是可能浪费流量;二是占用更多内存。其次,合并图片中任何一处修改,都会导致整张大图缓存失效。这些问题可以根据不同场景,选用 Data URI、Icon Font、SVG 等技术来改造。另外,雪碧图的生成和维护都比较繁琐,最好使用工具自动管理。

CSS、JS 合并:合并后的资源需要整体加载完才开始解析、执行。原本加载完一个文件就可以解析并执行一个,将很多个文件合并成一个巨无霸,会整体推后可用时间。为此,Chrome 新版引入了 Script Streaming 技术,能边加载边解析 JS 文件。Gmail 为了解决这个问题,将多个 JS 文件合并为一个由多个 inline script 片段组成的 html,用 iframe 引入,以达到边加载变解析执行的效果。另外,与图片合并类似,CSS、JS 合并也会遇到「无论多小的改动,都会导致整个合并文件缓存失效」的问题。

CSS、JS 内联:上篇文章我详细分析过内联的优点和弊端。主要两个问题:1)无法利用缓存;2)多页面无法共享。

图片、音频内联:除了也有上面两个问题之外,二进制文件以 Data URI 方式内联,需要进行 Base64 编码,体积会变大 1/3。

结论

HTTP/1 时代,我们为了节省昂贵的 HTTP 连接(TCP 连接),采用了各种优化手段,这些方案或多或少会引入一些问题,但是相比收益来说还是值得做,也应该做。但是,有了 HTTP/2 的多路复用和头部压缩,HTTP 连接变得可以随心所欲了,本文提到的这些连接数优化手段确实可以退休了。

哦对了,据官方预测,HTTP/1 至少还需要 10 年才能彻底退出历史舞台,另外尽管 HTTP/2 协议允许脱离 TLS 部署,但 Chrome 和 Firefox 都表示不支持非 TLS 的 HTTP/2,之后很可能一个网站会同时提供 HTTP/1.1、HTTP/1.1 over TLS、HTTP/2 over TLS 三种服务。如何在每种情况下,都能给用户提供最好的体验,需要更加深入的优化研究和更加精细的优化策略。由此可见,在很长一段时间内,WEB 性能优化非但不会落幕,反而会更加重要。

备注

本文两幅插图均来自 Ilya Grigorik 编写的《High Performance Browser Networking》的第十二章。这本书我个人比较推荐,英文版可以免费在线阅读。中文版叫《WEB 性能权威指南》,由李松峰老师翻译。最近这本书的原作者又把第十二章单独拿出来出了一本名为《HTTP/2: A New Excerpt from High Performance Browser Networking》的电子书,同样免费,只对 HTTP/2 有兴趣的同学看这个就可以了。

除了前面提到的这些需要为 HTTP/2 做出调整的优化策略之外,其余大部分 HTTP/1 时期的优化策略依然有效。HTTP/1 的 WPO 并不是什么新鲜话题,大家早就熟门熟路了,本文只打算列举其中几个:

启用压缩

压缩的目的是让传输的数据变得更小。我们的线上代码(JS、CSS 和 HTML)都会做压缩,图片也会做压缩(PNGOUT、Pngcrush、JpegOptim、Gifsicle 等)。对于文本文件,在服务端发送响应之前进行 GZip 压缩也很重要,通常压缩后的文本大小会减小到原来的 1/4 – 1/3。对代码进行内容压缩已经有成熟的工具和标准流程了,而服务端的 GZip 更是标配,所以「压缩」是一项收益投入比很高的优化手段。

使用 HTTP 缓存

任何一个 WEB 项目,要提高性能,各个环节的缓存必不可少。利用好 HTTP 协议的缓存机制,可以大幅减少传输数据,减少请求,这又是一项收益投入比超高的优化手段。这里把之前我写的 HTTP/1.1 缓存机制介绍翻出来:

首先,服务端可以通过响应头里的 Last-Modified(最后修改时间) 或者 ETag(内容特征) 标记实体。浏览器会存下这些标记,并在下次请求时带上 If-Modified-Since: 上次 Last-Modified 的内容 或 If-None-Match: 上次 ETag 的内容,询问服务端资源是否过期。如果服务端发现并没有过期,直接返回一个状态码为 304、正文为空的响应,告知浏览器使用本地缓存;如果资源有更新,服务端返回状态码 200、新的 Last-Modified、Etag 和正文。这个过程被称之为 HTTP 的协商缓存,通常也叫做弱缓存。

可以看到协商缓存并不会节省连接数,但是在缓存生效时,会大幅减小传输内容(304 响应没有正文,一般只有几百字节)。另外为什么有两个响应头都可以用来实现协商缓存呢?这是因为一开始用的 Last-Modified 有两个问题:1)只能精确到秒,1 秒内的多次变化反映不出来;2)在轮询的负载均衡算法中,如果各机器读到的文件修改时间不一致,有缓存无故失效和缓存不更新的风险。HTTP/1.1 并没有规定 ETag 的生成规则,而一般实现者都是对资源内容做摘要,能解决前面两个问题。

另外一种缓存机制是服务端通过响应头告诉浏览器,在什么时间之前(Expires)或在多长时间之内(Cache-Control: Max-age=xxx),不要再请求服务器了。这个机制我们通常称之为 HTTP 的强缓存。

一旦资源命中强缓存规则后,再次访问完全没有 HTTP 请求(Chrome 开发者工具的 Network 面板依然会显示请求,但是会注明 from cache;Firefox 的 firebug 也类似,会注明 BFCache),这会大幅提升性能。所以我们一般会对 CSS、JS、图片等资源使用强缓存,而入口文件(HTML)一般使用协商缓存或不缓存,这样可以通过修改入口文件中对强缓存资源的引入 URL 来达到即时更新的目的。

这里也解释下为什么有了 Expire,还要有 Cache-Control。也有两个原因:1)Cache-Control 功能更强大,对缓存的控制能力更强;2)Cache-Control 采用的 max-age 是相对时间,不受服务端 / 客户端时间不对的影响。

另外关于浏览器的刷新(F5 / cmd + r)和强刷(Ctrl + F5 / shift + cmd +r):普通刷新会使用协商缓存,忽略强缓存;强刷会忽略浏览器所有缓存(并且请求头会携带 Cache-Control:no-cache 和 Pragma:no-cache,用来通知所有中间节点忽略缓存)。只有从地址栏或收藏夹输入网址、点击链接等情况下,浏览器才会使用强缓存。

减少 DNS 查询

我们知道,建立 TCP 连接需要知道目标 IP,而绝大部分时候给浏览器的是域名。浏览器需要先将域名解析为 IP,这个过程就是 DNS 查询,一般需要几毫秒到几百毫秒,移动环境下会更慢。DNS 解析完成之前,请求会被 Block。浏览器一般都会缓存 DNS 查询结果,页面使用的域名(包括子域名)越少,花费在 DNS 查询上的开销就越小。另外,合理使用浏览器的 DNS Prefetching 技术,也是很好的做法。

减少重定向

无论是通过服务端响应头产生的重定向,还是通过 <meta> 或者 JS 产生的重定向,都可能引入新的 DNS 查询、新的 TCP 连接以及新的 HTTP 请求,所以减少重定向也很重要。浏览器基本都会缓存通过 301 Moved Permanently 指定的跳转,所以对于永久性跳转,可以考虑使用状态码 301。对于启用了 HTTPS 的网站,配置 HSTS 策略,也可以减少从 HTTP 到 HTTPS 的重定向。

WEB 性能优化是一个系统工程,不可能在这一篇文章里写完,我决定先就写到这儿。最后,推荐一个 Chrome 扩展:HTTP/2 and SPDY indicator,它可以在地址栏显示当前网站是否启用了 SPDY 或者 HTTP/2,点击图标可以直接打开 Chrome 的 HTTP/2 的调试界面,十分方便。

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