《Web性能权威指南》-HTTP-读书笔记

HTTP简史

HTTP（HyperText Transfer Protocol，超文本传输协议）。

HTTP 0.9：只有一行的协议

Tim Berners-Lee罗列HTTP协议的几条宏观设计目标：支持文件传输、能够请求对超文本文档的索引搜索、格式化协商机制，以及能够把客户端引导至不同的服务器。

HTTP 0.9的功能：

客户端/服务器、请求/响应协议；
ASCII协议，运行于TCP/IP链接之上；
设计用来传输超文本文档（HTML）；
服务器与客户端之间的连接在每次请求之后都会关闭。

HTTP 1.0：迅速发展及参考性RFC

RFC 1945催收HTTP 1.0，关键变化：

请求可以由于多行首部字段构成；
响应对象前面添加一个响应状态行；
响应对象也有自己的由换行符分隔的首部字段；
响应对象不局限于超文本；
服务器与客户端之间的连接在每次请求之后都会关闭。

请求和响应首部都使用ASCII编码，但响应对象本身可以是任何类型：HTML、纯文本、图片，或其他内容类型。

HTTP 1.1：互联网标准

HTTP 1.1标准厘清之前版本中很多有歧义的地方，还加入很多重要的性能优化：持久连接、分块编码传输、字节范围请求、增强的缓存机制、传输编码及请求管道。

HTTP 1.1改变HTTP协议的语义，默认使用持久连接。除非明确告知（通过Connection: close首部），否则服务器默认会保持连接打开。

HTTP 1.0，可通过Connection:Keep-Alive首部来启用。

HTTP 2.0：改进传输性能

HTTP 2.0的主要目标是改进传输性能，实现低延迟和高吞吐量。

Web性能要点

Web性能优化思路：

延迟和带宽对Web性能的影响；
传输协议（TCP）对HTTP的限制；
HTTP协议自身的功能和缺陷；
Web应用的发展趋势及性能需求；
浏览器局限性和优化思路。

超文本、网页和Web应用

互联网发展史，至少带给三种体验：超文本文档、富媒体网页和交互式Web应用。

多TCP连接目前仍然存在，性能的关键指标已经从文档加载时间，变成页面加载时间。PLT，Page Load Time，简单定义：浏览器中的加载旋转图标停止旋转的时间。更技术的定义则是浏览器中的onload事件，这个事件由浏览器在文档及其所有依赖资源（JS、图片，等等）下载完毕时触发。

Web应用把网页的简单依赖关系（在标签中使用媒体作为基本内容的补充）转换成复杂的依赖关系：标记定义结构、样式表定义布局，脚本构建最终的交互式应用，响应用户输入，并在交互期间创建样式表和标记。
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浏览器在解析HTML文档的基础上构建DOM（Document Object Model，文档对象模型）。CSSOM（CSS Object Model，CSS对象模型），也会基于特定的样式表规则和资源构建而成。这两个模型共同创建渲染树，之后浏览器就有足够的信息去进行布局，并在屏幕上绘制图形。

应用的性能，特别是首次加载时的渲染前时间，直接取决于标记、样式表和JS这三者之间的依赖关系。

剖析现代Web应用

HTTP Archive一直在抓取世界上最热门的网站（Alexa前100万名中的30多万名），记录、聚合并分析每个网站使用的资源、内容类型、首部及其他元数据的数量。

速度、性能与用户期望

Web性能优化的经验法则：必须250ms内渲染页面，不行的话，至少提供视觉反馈，才能保证用户不走开！

分析资源瀑布

资源瀑布：浏览器内置工具。如下图，某CSDN页面，Chrome浏览器F12，点击Network，可看到大部分请求在1700ms-2500ms内渲染完成。
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开源的在线工具，如WebPageTest，可在不同的浏览器中呈现资源瀑布。

每一个HTTP请求都由很多独立的阶段构成：DNS解析、TCP连接握手、TLS协商（必要时）、发送HTTP请求，然后下载内容。

Start Render（绿色的竖线）会在所有资源下载完成前开始，以便用户在页面构建期间就能与之交互。DocumentComplete事件（蓝色的竖线）也会在剩余资源下载完成前触发。

讨论Web性能时有三个不同测量指标：最早渲染时间、文档完成时间和最后资源获取时间。

资源瀑布图记录的是HTTP请求，而连接视图展示每个TCP连接的生命期，这些连接用于获取后端服务器的资源。连接视图的底部显示带宽利用率曲线。可用连接的带宽利用率很低，限制Web性能的主要因素是客户端与服务器之间的网络往返延迟。

性能来源：计算、渲染和网络访问

Web应用的执行主要涉及三个任务：取得资源、页面布局和渲染、JS执行。渲染和脚本执行在一个线程上交错进行，不可能并发修改生成的DOM。

降低RTT，而不是提高带宽。

减少页面加载时间的方法，就是减少加载每个页面过程中的往返次数。

大多数HTTP数据流都是小型突发性数据流，而TCP则是为持久连接和大块数据传输而进行过优化的。

人造和真实用户性能度量

宽泛地说，在受控度量环境下完成的任何测试都可称为人造测试。

人造测试不能发现所有性能瓶颈。特别是在人造环境下收集到的性能数据缺乏现实当中的多样性，难以据之确定应用带给用户的最终体验。这个问题有如下表现：

场景及页面选择：很难重复真实用户的导航模式；
浏览器缓存：用户缓存不同，性能差别很大；
中介设施：中间代理和缓存对性能影响很大；
硬件多样化：不同的CPU、GPU和内存比比皆是；
浏览器多样化：各种浏览器版本，有新有旧；
上网方式：真实连接的带宽和延迟可能不断变化。

真实用户度量（RUM，Real-User Measurement）。

W3C Web Performance Working Group通过引入NavigationTiming API为做真实用户测试提供便利，这个API目前已得到很多现代桌面和移动浏览器的支持。
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Navigation Timing提供以前无法访问的数据，如DNS和TCP连接时间，且精确度极高（微秒级时间戳）。要获得这些数据，可在浏览器中访问标准的performance.timing对象。

分析性能数据时，要时时关注数据的潜在分布，抛开均值，多用直方图、中位值和分位数。对于偏态分布和多重模态分布，均值是个没有意义的指标。

Navigation Timing只针对根文档提供性能计时器，因此W3C Performance Group还标准化另外两个API：

User Timing：JS API，可以标记和度量特定应用的性能指标，提供高精确度的计时结果
ResourceTiming：针对页面中的每个资源都提供类似的性能数据，可以让我们收集到关于页面的完整性能数据

针对浏览器的优化建议

核心优化策略来说，可宽泛地分为两类：

基于文档的优化：熟悉网络协议，文档、CSS和JS解析管道，发现和优先安排关键网络资源，尽早分派请求并取得页面，使其尽快达到可交互的状态。主要方法是优先获取资源、提前解析等
推测性优化：浏览器可以学习用户的导航模式，执行推测性优化，尝试预测用户的下一次操作。然后，预先解析DNS、预先连接可能的目标。

大多数浏览器都利用如下四种技术：

资源预取和排定优先次序：文档、CSS和JS解析器可以与网络协议层沟通，声明每种资源的优先级：初始渲染必需的阻塞资源具有最高优先级，而低优先级的请求可能会被临时保存在队列中；
DNS预解析：对可能的域名进行提前解析，避免将来HTTP请求时的DNS延迟。预解析可以通过学习导航历史、用户的鼠标悬停，或其他页面信号来触发；
TCP预连接：DNS解析之后，浏览器可以根据预测的HTTP请求，推测性地打开TCP连接。如果猜对的话，则可以节省一次完整的往返（TCP握手）时间；
页面预渲染：某些浏览器可以让我们提示下一个可能的目标，从而在隐藏的标签页中预先渲染整个页面。这样，当用户真的触发导航时，就能立即切换过来。

HTML文档在浏览器中是递增解析的，服务器会尽可能频繁发送文档的每一可用部分，这样客户端才能尽早发现和获取关键资源。

HTTP 1.x

HTTP 1.x增强性能的特性：

持久化连接以支持连接重用；
分块传输编码以支持流式响应；
请求管道以支持并行请求处理；
字节服务以支持基于范围的资源请求；
改进的更好的缓存机制。

《高性能网站建设指南》中概括14条规则，有一半针对网络优化：

减少DNS查询：每次域名解析都需要一次网络往返，增加请求的延迟，在查询期间会阻塞请求。
减少HTTP请求：任何请求都不如没有请求更快，因此要去掉页面上没有必要的资源。
使用CDN：从地理上把数据放到接近客户端的地方，可以显著减少每次TCP连接的网络延迟，增加吞吐量。
添加Expires首部并配置ETag标签：相关资源应该缓存，以避免重复请求每个页面中相同的资源。Expires首部可用于指定缓存时间，在这个时间内可以直接从缓存取得资源，完全避免HTTP请求。ETag及Last-Modified首部提供一个与缓存相关的机制，相当于最后一次更新的指纹或时间戳。
Gzip资源：所有文本资源都应该使用Gzip压缩，然后再在客户端与服务器间传输。一般来说，Gzip可以减少60%～80%的文件大小，也是一个相对简单（只要在服务器上配置一个选项），但优化效果较好的举措。
避免HTTP重定向：HTTP重定向极其耗时，特别是把客户端定向到一个完全不同的域名的情况下，还会导致额外的DNS查询、TCP连接延迟，等等。

消除和减少不必要的网络延迟，把传输的字节数降到最少。这两个根本问题永远是优化的核心，对任何应用都有效。

如果遗留历史站点（涉及前后端、网关等各模块）只能使用HTTP 1.1，且一时半会不能升级到HTTP 2.0。那就需要使用各种优化技术，如：连接文件、拼合图标、分割域名或嵌入资源。事实上，有些问题在升级到HTTP 2.0后，可能会依旧存在。因此，哪怕在2024年9月份的当下，熟悉HTTP 1.1版本的优化技术还是很有必要的。

持久连接

由一个新TCP连接发送的HTTP请求所花的总时间，最少等于两次网络往返的时间：一次用于握手，一次用于请求和响应。这是所有非持久HTTP会话都要付出的固定时间成本。

添加对HTTP持久连接的支持，就可以避免第二次TCP连接时的三次握手、消除另一次TCP慢启动的往返，节约整整一次网络延迟。

HTTP管道

持久HTTP可以重用已有的连接来完成多次应用请求，但多次请求必须严格满足先进先出(FIFO)的队列顺序：发送请求，等待响应完成，再发送客户端队列中的下一个请求。HTTP管道可以把FIFO队列从客户端（请求队列）迁移到服务器（响应队列）。

理想很丰满，现实很骨感。

HTTP 1.x的局限性：只能严格串行地返回响应。不允许一个连接上的多个响应数据交错到达（多路复用），因而一个响应必须完全返回后，下一个响应才会开始传输。

队首阻塞：即使客户端同时发送两个请求，而且CSS资源先准备就绪，服务器也会先发送HTML响应，然后再交付CSS。并经常导致次优化交付：不能充分利用网络连接，造成服务器缓冲开销，最终导致无法预测的客户端延迟。

TCP队首阻塞：TCP要求严格按照顺序交付，丢失一个TCP分组就会阻塞所有高序号的分组，除非重传那个丢失的分组，这样就会导致额外的应用延迟。

实际中，由于不可能实现多路复用，HTTP管道会导致HTTP服务器、代理和客户端出现很多微妙的，不见文档记载的问题：

一个慢响应就会阻塞所有后续请求；
并行处理请求时，服务器必须缓冲管道中的响应，从而占用服务器资源，如果有个响应非常大，则很容易形成服务器的受攻击面；
响应失败可能终止TCP连接，从页强迫客户端重新发送对所有后续资源的请求，导致重复处理；
由于可能存在中间代理，因此检测管道兼容性，确保可靠性很重要；
如果中间代理不支持管道，那它可能会中断连接，也可能会把所有请求串联起来。

使用多个TCP连接

大多数现代浏览器，包括桌面和移动浏览器，都支持每个主机打开6个连接。这意味着：

客户端可以并行分派最多6个请求；
服务器可以并行处理最多6个请求；
第一次往返可以发送的累计分组数量（TCP cwnd）增长为原来的6倍。

域名分区

HTTP 1.x协议的一项空白强迫浏览器开发商引入并维护着连接池，每个主机（域名）最多6个TCP流。对于现代Web站点来说，6个并行连接显然不够用。

解决方法，把所有资源分散到多个子域名，即可突破浏览器的连接限制，实现更高的并行能力。域名分区使用得越多，并行能力就越强！缺点是：每个新主机名都要求有一次额外的DNS查询，每多一个套接字都会多消耗两端的一些资源，Web站点开发者必须手工分离这些资源，把它们托管到多个主机上。

把多个域名解析到同一个IP地址是很常见的做法。所有分区都通过CNAME DNS记录指向同一个服务器，而浏览器连接限制针对的是主机名，不是IP地址。每个分区也可以指向一个CDN或其他可以访问到的服务器。

最优的分区数目，取决于页面中资源的数量（每个页面都可能不一样），以及客户端连接的可用带宽和延迟（因客户端而异）。

分区数目不宜过多，应该经过反复验证测试确定出一个合适的数目。DNS查询和TCP慢启动导致的额外消耗对高延迟客户端的影响最大。即，移动客户端经常是受过度域名分区影响最大的！

度量和控制协议开销

RFC 2616（HTTP 1.1）没有对HTTP首部的大小规定任何限制。然而，实际中，很多服务器和代理都会将其限制在8KB或16KB之内。

减少要传输的首部数据（高度重复且未压缩），可以节省相当于一次往返的延迟时间，显著提升很多Web应用的性能。

Cookie在很多应用中都是常见的性能瓶颈，很多开发者都会忽略它给每次请求增加的额外负担。

连接与拼合

嵌入资源

把资源嵌入文档可以减少请求的次数。任何MIME类型，只要浏览器能理解，都可以通过类似方式嵌入到页面中，包括PDF、音频、视频。不过，有些浏览器会限制数据URI的大小，比如IE8最大只允许32KB。

base64编码使用64个ASCII符号和空白符将任意字节流编码为ASCII字符串。编码过程中，base64会导致被编码的流变成原来的4/3，即增大33%的字节开销。

如果应用要使用很小的、个别的文件，在考虑是否嵌入时，可参考如下建议：

如果文件很小，且只有个别页面使用，可考虑嵌入；
如果文件很小，但需要在多个页面中重用，则考虑集中打包；
如果小文件经常需要更新，就不要嵌入；
通过减少HTTP cookie的大小将协议开销最小化。

HTTP 2.0

HTTP 2.0的目的：通过支持请求与响应的多路复用来减少延迟，通过压缩HTTP首部字段将协议开销降至最低，同时增加对请求优先级和服务器端推送的支持。

HTTP 2.0修改格式化数据（分帧）的方式，以及客户端与服务器间传输这些数据的方式，新的组帧机制隐藏所有复杂性。

历史及其与SPDY的渊源

谷歌开发的SPDY协议目标：

PLT降低50%；
无需网站开发者修改任何内容；
把部署复杂性降至最低，无需变更网络基础设施；
与开源社区合作开发这个新协议；
收集真实性能数据，验证这个实验性协议是否有效。

SPDY引入新的二进制分帧数据层，以实现多向请求和响应、优先次序、最小化及消除不必要的网络延迟，目的是更有效地利用底层TCP连接。

走向HTTP 2.0

参考SPDY，HTTP/2.0应该满足如下条件：

相对于使用TCP的HTTP 1.1，用户在大多数情况下的感知延迟要有实质上、可度量的改进；
解决HTTP队首阻塞问题；
并行操作无需与服务器建立多个连接，从而改进TCP的利用率，特别是拥塞控制方面；
保持HTTP 1.1的语义，利用现有文档，包括（但不限于）HTTP方法、状态码、URI、首部字段；
明确规定HTTP 2.0如何与HTTP 1.x互操作，特别是在中间介质上；
明确指出所有新的可扩展机制以及适当的扩展策略；

HTTP 2.0增加新的二进制分帧数据层，服务端推送。

设计和技术目标

HTTP/2.0通过支持首部字段压缩和在同一连接上发送多个并发消息，让应用更有效地利用网络资源，减少感知的延迟时间。

二进制分帧层

二进制分帧层，定义如何封装HTTP消息并在客户端与服务器之间传输。
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HTTP 1.x以换行符作为纯文本的分隔符，而HTTP 2.0将所有传输的信息分割为更小的消息和帧，并对它们采用二进制格式的编码。

流、消息和帧

概念：

流：已建立的连接上的双向字节流
消息：与逻辑消息对应的完整的一系列数据帧
帧：HTTP 2.0通信的最小单位，每个帧包含帧首部，至少也会标识出当前帧所属的流。

所有HTTP 2.0通信都在一个连接上完成，这个连接可以承载任意数量的双向数据流。相应地，每个数据流以消息的形式发送，而消息由一或多个帧组成，这些帧可以乱序发送，然后再根据每个帧首部的流标识符重新组装。

HTTP 2.0的所有帧都采用二进制编码，所有首部数据都会被压缩。

总结：

所有通信都在一个TCP连接上完成。
流是连接中的一个虚拟信道，可以承载双向的消息；每个流都有一个唯一的整数标识符。
消息是指逻辑上的HTTP消息，如请求、响应等，由一或多个帧组成。
帧是最小的通信单位，承载着特定类型的数据，如HTTP首部、负荷等。
很多流可以并行地在同一个TCP连接上交换消息。

多向请求与响应

二进制分帧层突破这些限制（多个响应必须排队、队首阻塞等），实现多向请求和响应：客户端和服务器可以把HTTP消息分解为互不依赖的帧，然后乱序发送，最后再在另一端把它们重新组合起来。
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多向请求和响应会在整个Web技术栈中引发一系列连锁反应，从而带来巨大的性能提升：

可以并行交错地发送请求，请求之间互不影响；
可以并行交错地发送响应，响应之间互不干扰；
只使用一个连接即可并行发送多个请求和响应；
消除不必要的延迟，从而减少页面加载的时间；
不必再为绕过HTTP 1.x限制而多做很多工作；
减少TCP连接的数量；
减少客户端和服务器的CPU及内存占用。

请求优先级

把HTTP消息分解为很多独立的帧后，就可通过优化这些帧的交错和传输顺序，进一步提升性能。每个流都带有一个31比特的优先值，0表示最高优先级， $2^{31}-1$ 表示最低优先级。

HTTP 2.0没有规定处理优先级的具体算法，只规定一种赋予数据优先级的机制，当然要求客户端与服务器能够交换这些数据。

每个来源一个连接

流量控制

服务器推送

首部压缩

有效的HTTP 2.0升级与发现

二进制分帧简介

优化应用交付

性能优化最佳实践

所有应用都应该致力于消除或减少不必要的网络延迟，将需要传输的数据压缩至最少。这两条标准是经典的性能优化最佳实践，是其他数十条性能准则的出发点：

减少DNS查找：每一次主机名解析都需要一次网络往返，从而增加请求的延迟时间，同时还会阻塞后续请求。
重用TCP连接：尽可能使用持久连接，以消除TCP握手和慢启动延迟。
减少HTTP重定向：HTTP重定向极费时间，特别是不同域名之间的重定向，更加费时；这里面既有额外的DNS查询、TCP握手，还有其他延迟。最佳的重定向次数为零。
使用CDN：把数据放到离用户地理位置更近的地方，可以显著减少每次TCP连接的网络延迟，增大吞吐量。这一条既适用于静态内容，也适用于动态内容。
去掉不必要的资源：任何请求都不如没有请求快。
在客户端缓存资源：应该缓存应用资源，从而避免每次请求都发送相同的内容。
传输压缩过的内容：传输前应该压缩应用资源，把要传输的字节减至最少：确保对每种要传输的资源采用最好的压缩手段。
消除不必要的请求开销：减少请求的HTTP首部数据（如HTTP cookie），节省的时间相当于几次往返的延迟时间。
并行处理请求和响应：请求和响应的排队都会导致延迟，无论是客户端还是服务器端。
针对协议版本采取优化措施：HTTP 1.x支持有限的并行机制，要求打包资源、跨域分散资源等。HTTP 2.0只要建立一个连接就能实现最优性能，同时无需针对HTTP 1.x的那些优化方法。