使用Express Server和Handlebars优化Critical-Path性能
最近，我在一个React同构网站工作。这个网站建立在React上，运行于Express服务器上。一切都进行得十分顺利，但是我仍对CSS包的加载阻塞不满意。因此，我开始考虑如何在Express服务器上进行关键路径的优化。
这篇文章主要是如何使用Express和Handlebars进行安装以及配置一个关键路径的性能优化的笔记。
先决条件
本文中，我会使用Node.js以及Express。熟悉这两种技术对于理解文中的示例是十分有帮助的。
TL;DR
我准备了一个简单容易上手的资源库。
基础
关键路径(Critical-path)优化是关于如何消除CSS渲染阻塞的一种技术。它可以明显的提高网站负载的速度。该技术的目的是为了帮助用户摆脱CSS包加载的等待时间。一旦包加载后，浏览器进行缓存，之后的任何重载都会从缓存中读取。在此基础上，我们的目标如下:
- 在第一和第二(以及第n)次加载间进行区分。
- 第一次加载，异步加载CSS包，添加一个事件侦听以便知道加载何时完成。
- 当包被加载时，添加一些CSS，让用户尽可能的拥有良好的体验。
- 当侦听事件提示CSS包加载完成，移除内联CSS样式并为包服务。
- 确保其他来源(Javascript包等等)不会阻塞渲染。
检测第一次加载
使用cookie检测是否为第一次加载。如果cookie没有被设置则表明是第一次加载。否则是第二次或者第n次加载。
异步加载CSS包
启动异步下载CSS包，使用一种包含一个无效media属性值的简单技术。将media属性值设置为无效可以使CSS包异步下载，但是在media属性值没有被设置为有效之前，是不会应用任何样式修饰的。换句话说就是，为了使CSS包应用样式，我们需要在包下载后将media属性值设置为有效。
关键CSS与CSS包
下载CSS包时，保持标记中关键的内联样式。一旦包下载，关键CSS就会被移除。为了做到这一点，我们需要创建一些关键的JavaScript进行相关的处理。
生命周期
综上所述，这里有一个生命周期的简单模式:
同构
关于这种技术，你现在已经了解了一些，想象其与同构JavaScript应用相结合。同构JavaScript也被称为通用JavaScript，简单来说就是使用Javascript编写的应用程序可以在服务器运行，并生成HTML标记。如果你很好奇，阅读ReactDOM.renderToString以及ReactDOM.renderToStaticMarkup了解更多关于React的知识。
你可能十分奇怪，为什么我们需要在服务器上生成HTML。回想第一次加载，当我们使用客户端专用代码时，用户需要等待加载JavaScript包。当JavaScript包加载完之后，用户将会看到一个空白页或者是一个预加载。我相信，前端开发人员的目标是应该尽量减少这样的场景。使用同构代码则是不同的，用户看到的不是一个空白页或者说是一个预加载，而是会看到生成的标记，即使没有JavaScript包。当然，加载CSS包也需要一些时间，没有它用户看到的将是无样式的标记。幸运的是，采用关键路径的性能优化，就可以很容易的进行解决。
配置环境
EXPRESS
Express是一个最小的灵活的Node.js web应用框架。
首先，安装所有的软件包: express,express-handlebars以及cookie-parser
。express-handlebars是Handlebars用于Express的一个引擎，cookie-parser主要用于之后的cookie。
npm install express express-handlebars cookie-parser --save-dev
为导入这些包创建一个server.js文件。之后会使用这些path包，也是Node.js的一部分。
import express from 'express';
import expressHandlebars from 'express-handlebars';
import cookieParser from 'cookie-parser';
import path from 'path';
创建Express应用程序:
var app = express();
安装cookie-parser:
app.use(cookieParser());
CSS包将在/assets/css/bundle.css中，为了在Express中快速获取静态文件，我们需要设置静态文件所在的路径名称。可以通过使用内置的中间函数express.static来完成。我们的文件将在指定的目录build中;所以/build/assets/css/bundle.css中的本地文件将通过服务器被送达/assets/css/bundle.css中。
app.use(express.static('build'));
对于这个演示的目的,设置一个单一的HTTP GET路线(/)就够了:
// Register simple HTTP GET route for /
app.get('/', function(req, res){
// Send status 200 and render content. Content, in this case, is a non-existent template. For me, rendering the layout is important.
res.status(200).render('content');
});
将Express绑定到端口3000进行监听:
// Set the server port to 3000, and log the message when the server is ready.
app.listen(3000, function(){
console.log('Local server is listening…');
});
Babel以及ES2016
鉴于ECMAScript 2016(或者说 ES2016)语法，我们需要安装Babel以及相关预置(presets)。Babel是一个JavaScript编译器，允许使用下一代JavaScript语法。Babel presets是一个特定的Babel转换逻辑，提取插件(或者presets)群组。我们的demo需要Reat以及ES2015 presets。
npm install babel-core babel-preset-es2015 babel-preset-react --save-dev
现在使用下面的代码创建.babelrc文件。这也就是我们在本质上说的,“Hey Babel，使用这些presets”:
{
"presets": [
"es2015",
"react"
]
}
正如Babel的文档所说的，处理ES2016语法，Babel需要一个babel-core/register作为应用入口的挂钩。否则，就会抛出一个错误。创建entry.js:
require("babel-core/register");
require('./server.js');
现在，对配置进行检测:
$ node entry.js
终端应该显示如下信息:
Local server is listening…
然而，如果你在浏览器http://localhost:3000/进行浏览，将得到如下错误:
Error: No default engine was specified and no extension was provided.
这只是意味着Express不知道渲染什么以及如何进行渲染。在下一节中我们将摆脱这个错误。
Handlebars
Handlebars被视为是“steroids最小的模板”。对它进行设置，打开server.js：
// register new template engine
// first parameter = file extension
// second parameter = callback = expressHandlebars
// defaultLayout is the name of default layout located in layoutsDir.
app.engine('handlebars', expressHandlebars(
{
defaultLayout: 'main',
layoutsDir: path.join(__dirname, 'views/layouts'),
partialsDir: path.join(__dirname, 'views/partials')
}
));
// register new view engine
app.set('view engine', 'handlebars');
创建目录views/layouts以及views/partials。在views/layouts中创建一个名为main.handlebars的文件，如下所示进行相关嵌入。这是我们主要的布局。
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
<meta charset="UTF-8">
<title>Critical-Path Performance Optimization</title>
<link rel="stylesheet" href="assets/css/bundle.css" id="cssbundle" media="none"/>
</head>
<body>
</body>
</html>
另外在views目录下创建名为content.handlebars的文件，嵌入到如下的代码中。
<div id="app">magic here</div>
现在启动服务器:
$ node entry.js
开启http://localhost:3000，错误消失，布局的标记也已经准备就绪。
关键路径(Critical Path)
环境已经配置好，现在开始实现关键路径的优化。
确定第一次加载
你会记得，我们的首要目标是决定第一次加载。在此基础上，可以决定是否需要关键样式或者从浏览器缓存中获取CSS包。在这一点我们使用cookie。如果cookie被设置，意味着这不是第一次加载；否则，是。cookie在关键JavaScript文件中被创建，携带着一些关键样式，文件将会被内嵌在模板中。Express可以通过检查cookie进行判断并处理。
将关键JavaScript文件命名为fastjs。如果cookie不存在，我们必须在布局文件中嵌入fastjs中的内容。这里我发现Handlebars partials十分好用。当你需要在多处进行标记复用时，partials就会变得十分有用。它们也可以被其它的模板进行调用，通常是用于页眉，页脚，导航等等。
在Handlebars部分，我在/views/partials中定义了一个partials目录。创建一个/views/partials/fastjs.handlebars文件。文件中，使用script标签，添加一个ID进行fastjs的引用。之后使用这个ID在DOM中进行移除。
<script id='fastjs'>
</script>
现在打开/views/layouts/main.handlebars。通过{{> partialName }}语法对partial进行调用。这段代码将被我们目标partial的内容所取代。我们的partial被命名为fastjs，所以在head标签结束处添加如下代码:
<head>
…
{{> fastjs}}
</head>
现在http://localhost:3000内包含fastjs partial的内容。cookie将会被这个简单的JavaScript函数创建。
<script id='fastjs'>
// Let's create a cookie named 'fastweb', setting its value to 'cache' and its expiration to one day
createCookie('fastweb', 'cache', 1);
// function to create cookie
function createCookie(name,value,days) {
var expires = "";
if (days) {
var date = new Date();
date.setTime(date.getTime()+(days*24*60*60*1000));
var expires = "; expires="+date.toGMTString();
}
document.cookie = name+"="+value+expires+"; path=/";
}
</script>
现在你可以在http://localhost:3000中发现一个名为fastweb的cookie。只有当cookie不存在的时候，fastjs的内容才会被嵌入。为了确定这一点，我们需要在Express进行检查。使用cookie-parser npm包可以很容易做到这一点。在server.js添加如下代码:
app.get('/', function(req, res){
res.status(200).render('content');
});
render函数的第二个参数是一个可选对象，包含该视图的局部变量。我们可以像如下代码传入一个变量:
app.get('/', function(req, res){
res.status(200).render('content', {needToRenderFast: true});
});
现在，在我们看来可以对变量needToRenderFast进行打印，其值将为真。当名为fastweb的cookie不存在时，我们想要这个变量的值为true。否则，变量值应该为false。使用cookie-parser检查cookie是否存在是十分简单的，代码如下:
//Check whether cookie named fastweb is set to a value of 'cache'
req.cookies.fastweb === 'cache'
这里改写了我们的需求:
app.get('/', function(req, res){
res.status(200).render('content', {
needToRenderFast: !(req.cookies.fastweb === 'cache')
});
});
基于这个变量的值，视图知道是否应该对关键文件进行渲染。感谢Handlebars内置的小帮手 - 名为if block帮手 - 这是十分容易实现的，打开布局文件添加if小帮手:
<head>
…
{{#if needToRenderFast}}
{{> fastjs}}
{{/if}}
</head>
瞧！当cookie不存在的时候，fastjs内容才会被嵌入。
注入关键CSS
关键CSS文件需要和关键JavaScript文件同时嵌入。首先，创建另一个名为/views/partials/fastcss.handlebars的partial。fastcss文件内的内容十分简单:
<style id="fastcss">
body{background:#E91E63;}
</style>
如fastjs partial，我们仅仅需要对其进行导入。打开布局文件:
<head>
…
{{#if needToRenderFast}}
{{> fastcss}}
{{> fastjs}}
{{/if}}
</head>
处理CSS包的加载
现在的问题是，即使CSS包已经加载完成，关键partial仍旧保留在DOM中。幸运的是，这是很容易就可以解决的。我们的布局标记如下所示:
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
<meta charset="UTF-8">
<title>Critical-Path Performance Optimization</title>
{{#if needToRenderFast}}
<link rel="stylesheet" href="assets/css/bundle.css" id="cssbundle" media="none"/>
{{> fastcss}}
{{> fastjs}}
{{/if}}
</head>
<body>
</body>
</html>
fastjs,fastcss以及CSS包都有自己的ID。可以利用这一点，打开fastjspartial并找到这些元素的引用。
var cssBundle = document.getElementById('cssbundle'),
fastCss = document.getElementById('fastcss'),
fastJs = document.getElementById('fastjs');
当CSS包加载的时候，我们希望可以得到相关的通知，这里使用了一个事件侦听器:
cssBundle.addEventListener('load', handleFastcss);
当CSS包被加载的时候，handleFastcss函数就会立即被调用。那一刻，我们想要从CSS包获取样式，移除#fastjs以及#fastcss元素并创建cookie。正如文章开头提到的，CSS包获取的样式将改变CSS包的media属性为一个有效的值进行修饰(在我们的示例中)。
function handleFastcss() {
cssBundle.setAttribute('media', 'all');
}
现在，仅仅移除#fastjs以及fastcss元素:
function handleFastcss() {
cssBundle.setAttribute('media', 'all');
fastCss.parentNode.removeChild(fastCss);
fastJs.parentNode.removeChild(fastJs);
}
在handleFastcss函数内调用createCookie函数。
function handleFastcss() {
createCookie('fastweb', 'cache', 1);
cssBundle.setAttribute('media', 'all');
fastCss.parentNode.removeChild(fastCss);
fastJs.parentNode.removeChild(fastJs);
}
最后的fastjs脚本代码如下:
<script id='fastjs'>
var cssBundle = document.getElementById('cssbundle'),
fastCss = document.getElementById('fastcss'),
fastJs = document.getElementById('fastjs');
cssBundle.addEventListener('load', handleFastcss);
function handleFastcss() {
createCookie('fastweb', 'cache', 1);
cssBundle.setAttribute('media', 'all');
fastCss.parentNode.removeChild(fastCss);
fastJs.parentNode.removeChild(fastJs);
}
function createCookie(name,value,days) {
var expires = "";
if (days) {
var date = new Date();
date.setTime(date.getTime()+(days*24*60*60*1000));
var expires = "; expires="+date.toGMTString();
}
document.cookie = name+"="+value+expires+"; path=/";
}
</script>
请注意这个CSS加载处理程序仅适用于客户端。如果客户端JavaScript代码被禁用，将会继续使用fastcss样式。
第二次以及第n次加载处理
第一次加载符合行为预期，但是当在浏览器重新对其进行加载时，丢失了样式渲染。原因可能在于我们仅仅处理了cookie不存在的情况。如果cookie存在，CSS包必须以标准的方式进行链接。
编辑布局文件:
<head>
…
{{#if needToRenderFast}}
<link rel="stylesheet" href="assets/css/bundle.css" id="cssbundle" media="none"/>
{{> fastcss}}
{{> fastjs}}
{{else}}
<link rel="stylesheet" href="assets/css/bundle.css" id="cssbundle" media="all"/>
{{/if}}
</head>
进行保存并查看结果。
结果
下面的GIF呈现了第一次加载。正如你看到的，CSS包正在被下载，网页拥有一个不同的背景。这是由fastcsspartial中的样式所导致的，cookie被创建并且bundle.css请求的状态为“200 OK”。
关键路径的性能优化: 第一次加载
第二个GIF展现了重载场景。cookie已经存在，关键文件被忽略，bundle.css请求的状态为“304 Not modified”。
关键路径的性能优化: 第二次以及第n次加载
结论
通过上面的架构，我们已经了解了整个生命周期。下一个步骤，检查脚本，图片，文字等所有的请求都是异步的，并不会阻止渲染。另外不要忘记在服务器启用GZIP压缩；好的Express的中间件就在于此。
扩展阅读
- “React与同构Apps”，Jonathan Creamer
- “理解关键CSS”，Dean Hume
- “网页性能优化”，Ilya Grigorik
- “浏览器进度条是一种反模式”，Ilya Grigorik
本文根据@Filip Bartos的《Optimizing Critical-Path Performance With Express Server And Handlebars》所译，整个译文带有我们自己的理解与思想，如果译得不好或有不对之处还请同行朋友指点。如需转载此译文，需注明英文出处:https://www.smashingmagazine.com/2016/08/optimizing-critical-path-performance-with-express-server-and-handlebars/。
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