【Web技术】969- 如何实现高性能的在线 PDF 预览

╰半夏微凉° 2022-10-16 04:57 171阅读 0赞

???? 这是第 52 篇不掺水的原创，想要了解更多，请戳上方蓝色字体：政采云前端团队 关注我们吧～

> 本文首发于政采云前端团队博客：如何实现高性能的在线 PDF 预览
> 
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![953b7d86373626fee459c966e4860137.png][]

##  ##

## 引言 ##

最近接到产品需求，用户需要在我们的站点上在线查看 PDF 文件，并且查看时，用户可以对 PDF 文件的进行旋转、缩放、跳转到指定页码等操作。

这个太简单了，随便找找就一堆轮子。

目前常见的在线 PDF 查看方案：

*  使用 iframe、embed、object 标签直接加载

采用此方案，只需要直接将 PDF 的在线地址设置为标签的 src 属性

*  使用第三方库 PDF.js 加载

这个方案麻烦一点，我们需要在项目中引入 PDF.js 这个库，然后再使用 iframe 来加载指定的 HTML 文件（下文代码中的 viewer.html ），并且将需要访问的 PDF 的在线地址作为参数传递进去。大概就像下面一样：

showPdf (selector, options) {
      const { width, height, fileUrl } = options;
      this.pdfFrame = document.createElement('iframe');
      this.pdfFrame.width = width;
      this.pdfFrame.height = height;
      this.pdfFrame.src = `./assets/web/viewer.html?file=${encodeURIComponent(fileUrl)}`;
      document.getElementById(selector).append(this.pdfFrame);
    }

这里可能会遇到跨域的问题，不过不是本文重点，不展开讲，相信这种小事难不倒聪明的你。

于是乎，啪啪啪几行代码迅速搞定给产品演示。然后产品拿了个线上文件来尝试效果。。。

![4e812dc4fddbaf455de69f59f60879ec.png][] BEDC8D6B-827A-4883-8A27-52B6372517A5.png

两人对着白屏尴尬的沉默良久，产品终于忍不住了。

“这怎么这么慢？不行，用户肯定不能接受。。。”

“公司网络不好... 你这文件太大了... 你重启一下试试？“

不存在的，作为一个优秀的前端开发者，怎么可以说这种话，当然是想办法解决啦。

重新整理一下产品的需求：

*  页面上查看服务器上的 pdf 文件
 *  支持页码跳转、旋转、缩放
 *  **打开要快**

基本上前两条上述方案都能满足，所以我们需要解决的关键问题在于如何让用户快速打开内容，减少等待时间。由于现有方案都是将 pdf 文件内容全部下载完成之后才开始进行渲染，如果文件比较大的时候，用户第一次打开时就可能需要等待很长时间。那么思路有了：我们可不可以不下载全部的文件内容就开始渲染？

## 方案思路 - PDF 内容分片加载 ##

因为用户不可能一眼看到所有的 PDF 内容，每次只能看到屏幕显示范围内的几页。所以我们可以将可视范围内的PDF 页面内容优先下载并展示，可视范围外的我们根据用户浏览的实际位置按需下载和渲染。这样就可以减少第一次打开时用户的等待时间了。（类似与数据分页、图片懒加载的思想，目的是提高首屏性能。）

那么我们可以将一个大的 PDF 文件分成多个小文件，即分片。比如某个 PDF 有 200 页，我们按照 5 页一片，将它切分成 40 片，每次只下载用户看到的那一个分片。然后在用户进行滚动翻页的时候，异步的去下载对应包含对应页的分片。

基本的思路有了，接下来就是想办法实现了。要实现分片加载我们需要做两件事情：

1、服务器对 PDF 文件进行分片

由于这个是服务器做了，所以，交给后端就好了。本文不细讲，大家有兴趣的可以去了解 **itextpdf** (https://api.itextpdf.com/iText5/java/5.5.11/) 库，它提供了相关 API 对 PDF 进行切片。

我们需要跟后端约定好 PDF 文件分片之后每一片的数据格式。假如分片的大小为 5（即每次请求 5 页内容），那么可以定义数据格式如下：

{
      "startPage": 1, // 分片的开始页码
      "endPage": 5, // 分片结束页码
      "totalPage": 100, // pdf 总页数
      "url": "http://test.com/asset/fhdf82372837283.pdf" // 分片内容下载地址
    }

2、客户端根据用户交互行为获取并渲染指定的分片

显然，获取并渲染是两个操作。为了保证用户操作（滚动）的流畅性，这两个操作我们都异步进行。至此，我们需要解决的关键问题变成两个：

*  如何下载 PDF 分片
 *  如何渲染 PDF 分片

## 知识准备 - PDF.js 接口介绍 ##

由于我们无法在已有标签上做修改，所以我们考虑基于 PDF.js 库进行深度定制。那么我们先了解一下 PDF.js 可以为我们提供哪些能力。参考 **官方文档** (https://mozilla.github.io/pdf.js)，下面列举了我们需要用到的几个 API ，由于官方文档中内容比较粗，这里贴上了源码中的注释。另附 **源码地址** (https://github.com/mozilla/pdf.js/blob/12aba0f91a5cd3e36fa81cb799540f8073990831/src/display/api.js\#L431)。

1.  获取远程的 pdf 文档

/**
      * This is the main entry point for loading a PDF and interacting with it.
      * NOTE: If a URL is used to fetch the PDF data a standard XMLHttpRequest(XHR)
      * is used, which means it must follow the same origin rules that any XHR does
      * e.g. No cross domain requests without CORS.
      *
      * @param {string|TypedArray|DocumentInitParameters|PDFDataRangeTransport} src
      * Can be a url to where a PDF is located, a typed array (Uint8Array)
      * already populated with data or parameter object.
      * @returns {PDFDocumentLoadingTask}
      */
     function getDocument(src) {
      // 省略实现
     }

简单的说就是，getDocument 接口可以获取 src 指定的远程 PDF 文件，并返回一个 PDFDocumentLoadingTask 对象。后续所有对 PDF 内容的操作都可以通过改对象实现。

1.  PDFDocumentLoadingTask

/**
      * The loading task controls the operations required to load a PDF document
      * (such as network requests) and provides a way to listen for completion,
      * after which individual pages can be rendered.
      */
     // eslint-disable-next-line no-shadow
     class PDFDocumentLoadingTask {
       // 省略 n 行实现
    
        /**
          * Promise for document loading task completion.
          * @type {Promise}
          */
         get promise() {
           return this._capability.promise;
         }
     }

PDFDocumentLoadingTask 是一个下载远程 PDF 文件的任务。它提供了一些监听方法，可以监听 PDF 文件的下载状态。通过 promise 可以获取到下载完成的 PDF 对象，它会生成并最终返回一个 PDFDocumentProxy 对象。

1.  PDFDocumentProxy

/**
    * Proxy to a PDFDocument in the worker thread. Also, contains commonly used
    * properties that can be read synchronously.
    */
    class PDFDocumentProxy {
     // 省略 n 行实现
    
     /**
      * @type {number} Total number of pages the PDF contains.
      */
     get numPages() {
       return this._pdfInfo.numPages;
     }
    
      /**
      * @param {number} pageNumber - The page number to get. The first page is 1.
      * @returns {Promise} A promise that is resolved with a {@link PDFPageProxy}
      *   object.
      */
     getPage(pageNumber) {
       return this._transport.getPage(pageNumber);
     }
    }

PDFDocumentProxy 是 PDF 文档代理类，我们可以通过它的 numPages 获取到文档的页面数量，通过 getPage 方法获取到指定页码的页面 PDFPageProxy 实例。

1.  PDFPageProxy

/**
      * Proxy to a PDFPage in the worker thread.
      * @alias PDFPageProxy
      */
     class PDFPageProxy {
      // 省略 n 行实现
    
       /**
        * @param {GetViewportParameters} params - Viewport parameters.
        * @returns {PageViewport} Contains 'width' and 'height' properties
        *   along with transforms required for rendering.
        */
       getViewport({
         scale,
         rotation = this.rotate,
         offsetX = 0,
         offsetY = 0,
         dontFlip = false,
       } = {}) {
         return new PageViewport({
           viewBox: this.view,
           scale,
           rotation,
           offsetX,
           offsetY,
           dontFlip,
         });
       }
    
       /**
        * Begins the process of rendering a page to the desired context.
        * @param {RenderParameters} params Page render parameters.
        * @returns {RenderTask} An object that contains the promise, which
        *                       is resolved when the page finishes rendering.
        */
       render({
         canvasContext,
         viewport,
         intent = "display",
         enableWebGL = false,
         renderInteractiveForms = false,
         transform = null,
         imageLayer = null,
         canvasFactory = null,
         background = null,
       }) {
        // 省略方法实现
       }
     }

PDFPageProxy 我们主要用到它的两个方法。通过 getViewport 可以根据指定的缩放比例（scale）、旋转角度（rotation）获取当前 PDF 页面的实际大小。通过 render 方法可以将 PDF 的内容渲染到指定的 canvas 上下文中。

## 实现细节 ##

### 下载 PDF 分片 ###

首先我们使用 PDF.js 提供的接口获取第一个分片的 url，然后再下载该分片的 PDF 文件。

/*
      代码中使用 loadStatus 来记录特定页的内容是否一件下载
    */
    const pageLoadStatus = {
      WAIT: 0, // 等待下下载
      LOADED: 1, // 已经下载
    }
    // 拿到第一个分片
    const { startPage, totalPage, url } = await fetchPdfFragment(1);
    if (!pages) {
      const pages = initPages(totalPage);
    }
    const loadingTask = PDFJS.getDocument(url);
    loadingTask.promise.then((pdfDoc) => {
      // 将已经下载的分片保存到 pages 数组中
      for (let i = 0; i < pdfDoc.numPages; i += 1) {
        const pageIndex = startPage + i;
        const page = pages[pageIndex - 1];
        if (page.loadStatus !== pageLoadStatus.LOADED) {
            pdfDoc.getPage(i + 1).then((pdfPage) => {
            page.pdfPage = pdfPage;
            page.loadStatus = pageLoadStatus.LOADED;
            // 通知可以进行渲染了
            startRenderPages();
          });
        }
      }
    });
    // 从服务器获取分片
    asycn function fetchPdfFragment(pageIndex) {
      /* 
        省略具体实现
        该方法从服务器获取包含指定页码(pageIndex)的 pdf 分片内容，
        返回的格式参考上文约定：
        {
          "startPage": 1, // 分片的开始页码
          "endPage": 5, // 分片结束页码
          "totalPage": 100, // pdf 总页数
          "url": "http://test.com/asset/fhdf82372837283.pdf" // 分片内容下载地址
        }
      */ 
    }
    // 创建一个 pages 数组来保存已经下载的 pdf 
    function initPages (totalPage) {
      const pages = [];
      for (let i = 0; i < totalPage; i += 1) {
        pages.push({
          pageNo: i + 1,
          loadStatus: pageLoadStatus.WAIT,
          pdfPage: null,
          dom: null
        });
      }
    }

### 渲染 PDF 分片 ###

PDF 分片内容下载完成之后，我们就可以将其渲染到页面上。渲染之前，我们需要知道 PDF 页面的大小。调用 PDF.js 提供的方法，我们能够根据当前 PDF 的缩放比例、选择角度来获取页面的实际大小。

// 获取单页高度
    const viewport = pdfPage.getViewport({
      scale: 1, // 缩放的比例
      rotation: 0, // 旋转的角度
    });
    // 记录pdf页面高度
    const pageSize = {
      width: viewport.width,
      height: viewport.height,
    }

然后我们需要创建一个内容渲染的区域，需要计算出内容的总高度（总高度 = 单页高度 \* 总页数）。

// 为了不让内容太拥挤，我们可以加一些页面间距 PAGE_INTVERVAL
    const PAGE_INTVERVAL = 10;
    // 创建内容绘制区，并设置大小
    const contentView = document.createElement('div');
    contentView.style.width = `${this.pageSize.width}px`;
    contentView.style.height = `${(totalPage * (pageSize.height + PAGE_INTVERVAL)) + PAGE_INTVERVAL}px`;
    pdfContainer.appendChild(contentView);

之后我们就可以根据 pdf 的页码来将其内容渲染到指定区域。

// 我们可以通过 scale 和 rotaion 的值来控制 pdf 文档缩放、旋转
    let scale = 1;
    let rotation = 0;
    function renderPageContent (page) {
      const { pdfPage, pageNo, dom } = page;
      // dom 元素已存在，无须重新渲染，直接返回
      if (dom) {
        return;
      }
      const viewport = pdfPage.getViewport({
        scale: scale,
        rotation: rotation,
      });
      // 创建新的canvas
      const canvas = document.createElement('canvas');
      const context = canvas.getContext('2d');
      canvas.height = pageSize.height;
      canvas.width = pageSize.width;
      // 创建渲染的dom
      const pageDom = document.createElement('div');
      pageDom.style.position = 'absolute';
      pageDom.style.top = `${((pageNo - 1) * (pageSize.height + PAGE_INTVERVAL)) + PAGE_INTVERVAL}px`;
      pageDom.style.width = `${pageSize.width}px`;
      pageDom.style.height = `${pageSize.height}px`;
      pageDom.appendChild(canvas);
      // 渲染内容
      pdfPage.render({
        canvasContext: context,
        viewport,
      });
      page.dom = pageDom;
      contentView.appendChild(pageDom);
    }

### 滚动加载内容 ###

上面我们已经将第一个分片进行了展示，但是当用户进行滚动时，我们需要更新内容的显示。首先根据滚动的位置，计算出当前需要展示的页面，然后下载包含该页面的分片。

// 监听容器的滚动事件，触发 scrollPdf 方法
    // 这里加了防抖保证不会一次产生过多请求
    scrollPdf = _.debounce(() => {
      const scrollTop = pdfContainer.scrollTop;
      const height = pdfContainer.height;
      // 根据内容可视区域中心点计算页码, 没有滚动时，指向第一页
      const pageIndex = scrollTop > 0 ?
            Math.ceil((scrollTop + (height / 2)) / (pageSize.height + PAGE_INTVERVAL)) :
            1;
      loadBefore(pageIndex);
      loadAfter(pageIndex);
    }, 200)
    // 假定每个分片的大小是 5 页
    const SLICE_COUNT = 5;
    // 获取当前页之前页面的分片
    function loadBefore (pageIndex) {
      const start = (Math.floor(pageIndex / SLICE_COUNT) * SLICE_COUNT) - (SLICE_COUNT - 1);
      if (start > 0) {
        const prevPage = pages[start - 1] || {};
        prevPage.loadStatus === pageLoadStatus.WAIT && loadPdfData(start);
      }
    }
    // 获取当前页之后页面的分片
    function loadAfter (pageIndex) {
      const start = (Math.floor(pageIndex / SLICE_COUNT) * SLICE_COUNT) + 1;
      if (start <= pages.length) {
        const nextPage = pages[start - 1] || {};
        nextPage.loadStatus === pageLoadStatus.WAIT && loadPdfData(start);
      }
    }

## 做一些优化 ##

PDF 文件可能会很大，比如一个 1000 页的 PDF 文件。随着用户的滚动浏览，它会一直渲染，如果最终同时将 1000 个页面的 dom 全部放到页面上。那么内存占用将会非常多，导致页面卡顿。因此，为了减少内存占用，我们可以将当前可视范围之外的页面元素清除。

// 首先我们获取到需要渲染的范围
    // 根据当前的可视范围内的页码，我们前后只保留 10 页
    function getRenderScope (pageIndex) {
      const pagesToRender = [];
      let i = pageIndex - 1;
      let j = pageIndex + 1;
      pagesToRender.push(pages[pageIndex - 1]);
      while (pagesToRender.length < 10 && pagesToRender.length < pages.length) {
        if (i > 0) {
          pagesToRender.push(pages[i - 1]);
          i -= 1;
        }
        if (pagesToRender.length >= 10) {
          break;
        }
        if (j <= pages.length) {
          pagesToRender.push(this.pages[j - 1]);
          j += 1;
        }
      }
      return pagesToRender;
    }
    // 渲染需要展示的页面，不需展示的页码将其清除
    function renderPages (pageIndex) {
      const pagesToRender = getRenderScope(pageIndex);
      for (const i of pages) {
        if (pagesToRender.includes(i)) {
          i.loadStatus === pageLoadStatus.LOADED ?
            renderPageContent(i) :
            renderPageLoading(i);
        } else {
          clearPage(i);
        }
      }
    }
    // 清除页面 dom
    function clearPage (page) {
      if (page.dom) {
        contentView.removeChild(page.dom);
        page.dom = undefined;
      }
    }
    // 页面正在下载时渲染loading视图
    function renderPageLoading (page) {
      const { pageNo, dom } = page;
      if (dom) {
        return;
      }
      const pageDom = document.createElement('div');
      pageDom.style.width = `${pageSize.width}px`;
      pageDom.style.height = `${pageSize.height}px`;
      pageDom.style.position = 'absolute';
      pageDom.style.top = `${
        ((pageNo - 1) * (pageSize.height + PAGE_INTVERVAL)) + PAGE_INTVERVAL
      }px`;
      /*
       此处在dom 上添加 loading 组件，省略实现
      */
      page.dom = pageDom;
      contentView.appendChild(pageDom);
    }

至此，我们就实现了 PDF 文件的分片展示。保证了第一次用户就可以很快看到文件内容，同时在用户在滚动浏览时不会感觉到有卡顿，产品经理也露出了满足的微笑。

## 总结 & 遇到的坑 ##

我们在程序设计中，遇到请求数据较大、任务执行时间过长等场景时很容易想到通过数据切分、任务分片等方式来提升程序在系统中的执行&响应效果。本文介绍的问题便是将大的 PDF 文件拆分，然后根据用户的交互行为按需加载，从而达到提升用户在线阅读体验的目的。

当然上述方案还存在很多优化空间，比如我们可以通过 InterpObserver API 结合容器 margin 的调整来实现 PDF 内容的滚动及页面元素的复用。具体的实现大家有兴趣可以自己尝试。

实际使用场景中，我们也遇到了一些坑。上述方案在进行页面渲染时，会预先初始化整个容器（ contentView）的大小。并且我们是根据第一次获取的 PDF 页面的大小进行计算容器高度的（页面高度 \* 总页数）。这里有一个前提，就是我们假定所有的 PDF 页面大小是一样的，但在实际场景中，很可能出现同一个 PDF 文档中，页面大小不一样的情况。这时就会出现加载页面位置不准确或者内容展示被遮挡的情况。

针对上述问题，目前我们思考了两种方案：

*  将大小不一样的页面进行缩放。当我们发现页面大小和保存的 pageSize 不一致时，可以将当前页进行缩放，这样就将所有页面的大小转化成了一样。但是这样做用户体验会有所影响，因为用户看到的页面内容大小可能和他实际上传的不一样。
 *  可以在服务器上提前计算好每一页的页面大小，返回给前端。前端在渲染指定页时，根据服务器返回的数据进行来计算页面位置。但是这样需要在前端做大量的计算。渲染性能上会受到一些影响。

如果大家还有更好的办法，欢迎讨论。

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4. [正则 / 框架 / 算法等 重温系列（16篇全）][_ _ _ _ _16]

5. [Webpack4 入门（上）][Webpack4]|| [Webpack4 入门（下）][Webpack4 1]

6. [MobX 入门（上）][MobX] || [MobX 入门（下）][MobX 1]

7. 120[\+篇原创系列汇总][Link 1]

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[2fa77e6bdd7a046b73f61ecee78497e1.gif]: /images/20221014/0865123ceddf4514aba4e38ea5283a3d.png
[1. JavaScript _22]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5MDc4MzgxNA%3D%3D&chksm=b1c224ea86b5adfc10c3aa1841be3879b9360d671e98cc73391c2490246f1348857b9821d32c&idx=1&mid=2458453187&scene=21&sn=a69b4d7d991867a07a933f86e66b9f55#wechat_redirect
[2. ECMAScript _10]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5MDc4MzgxNA%3D%3D&chksm=b1c224e086b5adf6dad41a0d36b77a9bfb4bc9f0d29a816266b3e28c892e54274967dbce380b&idx=1&mid=2458453193&scene=21&sn=e5392cb77bc17c9e94b6c826b5f52a83#wechat_redirect
[3. JavaScript_ _9]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5MDc4MzgxNA%3D%3D&chksm=b1c224e386b5adf554ab928cdeaf7ee16dbb2d895be17f2a12a59054a75b913470ca7649bbc7&idx=1&mid=2458453194&scene=21&sn=e7f0734b04484bee5e10a85a7cbb85c1#wechat_redirect
[_ _ _ _ _16]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5MDc4MzgxNA%3D%3D&chksm=b1c224e286b5adf432850f82db18cc8647d639836798cf16b478d9a6f7c81df87c6da5257684&idx=1&mid=2458453195&scene=21&sn=1e0c8b7ea8ddc207b523ec0a636a5254#wechat_redirect
[Webpack4]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5MDc4MzgxNA%3D%3D&chksm=b1c2251f86b5ac09dbbbb7c8e1d80c6cbd793a523cdfa690f8734def57812e616b9906aeec79&idx=1&mid=2458453302&scene=21&sn=904e40a421024ea0d394e9850b674012#wechat_redirect
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[Link 1]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5MDc4MzgxNA%3D%3D&chksm=b1c224dd86b5adcbd98189315e60de6a0106993690b69927cc1c1f19fd8f591fefce4e3db51f&idx=2&mid=2458453236&scene=21&sn=daf00392f960c115463c5aaf980620b4#wechat_redirect
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