HTTP/2 与 WEB 性能优化（二）

男娘i 2022-09-26 02:57 128阅读 0赞

# HTTP/2 与 WEB 性能优化（二） #

在「[HTTP/2 与 WEB 性能优化（一）][HTTP_2 _ WEB]」这篇博客中，我主要写了 HTTP/2 中的 Server Push 给 WEB 性能优化带来的便利，今天继续来聊一聊 HTTP/2 其他方面的改变。

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 连接中引入二进制分帧层来实现。这样改动的好处是原来的 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：

![http2\_binary\_framing\_layer][http2_binary_framing_layer]

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：

![http2\_stream\_message\_frame][http2_stream_message_frame]

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][Link 1]）。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：开源和节流。

#### 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][WEB]》，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][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。

[HTTP_2 _ WEB]: https://imququ.com/post/http2-and-wpo-1.html
[http2_binary_framing_layer]: /images/20220717/0ac986b9b3e64b31b1d9b17816e607bf.png
[http2_stream_message_frame]: /images/20220717/7b51e950449e458fa027c1f61ac50474.png
[Link 1]: https://imququ.com/post/transfer-encoding-header-in-http.html
[rfc7230]: http://tools.ietf.org/html/rfc7230#page-80
[Script Streaming]: http://blog.chromium.org/2015/03/new-javascript-techniques-for-rapid.html
[High Performance Browser Networking]: http://chimera.labs.oreilly.com/books/1230000000545/index.html
[WEB]: http://www.ituring.com.cn/book/1194
[HTTP_2_ A New Excerpt from High Performance Browser Networking]: http://shop.oreilly.com/product/0636920042587.do