Fronted-Performance optimieren in Chrome – Like a Boss

Nicht nur Frontend Entwickler kennen es: Man freut sich, dass die hollywoodreifen Animationen auf der Webseite oder im User Interface endlich funktionieren. Ein raffinierter Parallax-Effekt verleiht dem Ganzen dann noch den letzten Schliff. Das Problem: Es ruckelt und hakt an allen Enden, die Lüfter seines nagelneuen Rechners fangen an zu drehen. Was tun?
Zum Glück bieten die Chrome-Developer Tools einige hilfreiche Werkzeuge an, um die Performancefresser zu identifizieren. Diese geben nicht nur einen guten Überblick über Performance-Engpässe sondern dokumentieren außerdem die Bildwiederholrate, CPU-Auslastung und das Asset-Handling.

Wo finde ich diese Tools nun?

Wer die Chrome Developer-Tools kennt, ist möglicherweise schon mal über das Timeline Tab gestolpert. Öffnet man die Ansicht das erste Mal, ist es nicht ganz unwahrscheinlich, dass man von der hohen Informationsdichte erschlagen ist. Daher soll dieser Artikel als eine Art Entry-Point für den Einstieg sein. Denn es lohnt sich.
Ist das Timeline-Tab bereits geöffnet und die Seite wird neu geladen, werden die Performance-Daten des initialen Seitenaufrufes bis zum fertigen Rendern der Seite automatisch aufgezeichnet.
Danach kann man einzelne Aufzeichnungen starten, um z.B. die Performance einzelner Interaktionen auf der Seite untersuchen zu können. Dabei sollte beachtet werden: Je kürzer die Aufnahme und je weniger Aktionen aufgezeichnet werden, desto einfacher ist die Analyse.

Überblick

Der Einstieg: Ein kurzer Überblick über die Oberfläche.
Bildschirmfoto 2016-03-30 um 13.07.21

A) Bedienelemente

Die beiden linken Symbole dienen zum Starten und Stoppen der Aufzeichnung. Alternativ kann hierfür das Tastenkürzel cmd + E / Strg + E verwendet werden. Mit den Checkboxen können zusätzliche Informationen an/abgewählt werden, die dann entsprechend mit aufgezeichnet werden.

B) Überblick

Diese Ansicht bietet eine Übersicht über den Verlauf der Seiten-Performance. Sie dient außerdem als Navigation, um den aktuellen Bereich auszuwählen.

C) Flame-Chart

Hier werden die einzelnen Ereignisse und deren Dauer als horizontale Balken visualisiert. Parallele Ereignisse werden nach unten gestapelt. Der findige Beobachter erkennt hier drei unterschiedliche gefärbte vertikale gestrichelte Linien: die blaue Line stellt den DOMContentLoaded-Event dar. Die grüne Linie markiert den ersten Paint-Event und die rote den load Event.

D) Details

Ist kein Ereignis angewählt werden hier die Statistiken für  Zeitraum aufgeführt, der in der Übersichtsansicht ausgewählt ist. Um die Anzeige auf ein Ereignis zu begrenzen, kann im Flame-Chart ein Ereignis ausgewählt werden.
In der Überblicksansicht kann man die Auswahl der Ereignisse eingrenzen in dem man die Regler verschiebt. Die Visualisierungen im Flame-Chart und dem Detailbereich passen sich entsprechend an und beziehen sich nur auf den ausgewählten Bereich.
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Exkurs: Die typische Rendering-Pipeline

In der Regel gibt es fünf verschiedene Schritte bei der Frame-Berechnung, die bei der Entwicklung zu beachten sind. Über diese Bereiche hat  der Entwickler die größte Kontrolle.

Javascript

Typischerweise werden Scriptaufrufe verwendet um Werte zu ändern, die dann in Änderungen der Darstellung resultieren. Das kann z.B. die animate Funktion in jQuery sein oder das Hinzufügen von DOM-Elementen. Diese Darstellungsänderungen werden nicht ausschließlich durch Javascript ausgelöst. Es können auch CSS-Animationen, Transistions, o.ä. dafür verantwortlich sein.

Style Calculations

In diesem Prozess findet der Browser heraus, welche CSS-Regeln anhand der Style-Angaben für welche Elemente angewandt werden müssen.

Layout

Darauf folgt in der üblicherweise die Berechnung der Positionen der jeweiligen Elemente und wie viel Platz diese benötigen. Das Layout-Modell des Webs ist so konzipiert, dass gewisse Abhängigkeiten der Elemente untereinander herrschen. Verändert ein Element, welches mit float positioniert ist seine Breite, beeinflusst es die Position und Größe der umliegenden Elemente.

Paint

Im Painting-Prozess werden die Pixel der einzelnen Elemente berechnet. Es berücksichtigt Eigenschaften wie Text, Farben, Bilder, Rahmen. Die Berechnung findet auf verschiedenen Ebenen (Layers) statt.

Composite

Nachdem Painting-Prozess sind die einzelnen Komponenten (Layers) der Seite bereits berechnet. Beim Compositing werden diese Komponenten dann übereinander gelegt. Besonders entscheidend ist dies bei überlappenden Elementen.

1. JS/CSS >Style > Layout > Paint > Composite

Pasted Graphic
Wenn eine Eigenschaft eines Elements verändert wird, welche dessen Abmessungen oder Position verändert (z.B. height, width, top, left, o.ä, muss der Browser alle oder zumindest alle umliegenden Elemente neu berechnen und zusammengesetzt werden (Layout > Paint > Composite)

2. JS/CSS > Style > Paint > Composite

Pasted Graphic 1

Werden nur Paint-only Eigenschaften geändert (background-image, color, box-shadow), kann der Browser den Layout-Prozess überspringen.

3. JS/CSS > Style > Composite

Pasted Graphic 2

Wenn eine Eigenschaft verändert wird, bei denen der Layout und Painting-Prozess übersprungen werden kann, überspringt der Browser diese Schritte und springt direkt in den Compositiing-Prozess. Darunter fallen z.B. transform oder opacity.
Vor allem für performance-kritische Fälle, z.B. für Animationen oder bei Scroll-Events, bei denen die entsprechenden Funktionen in der Regel besonders oft aufgerufen werden, ist diese Variante besonders erstrebenswert.

Repaintbereiche auf der Seite visualisieren

Im DevTools Hauptmenü gibt es einen Eintrag mit der Bezeichnung More Tools nennt. Wählt man hier die Rendering Settings aus, erhält man weitere Funktionen. Ist die zusätzliche Leiste am unteren Bildschirmrand nicht sichtbar, kann man diese mit der Esc-Taste wieder erscheinen lassen.
Im Teilfenster am unteren Bildschirmrand befindet sich dann eine Check-Box mit dem Titel Enable paint flashing.

rendering-settings

Über das DevTools Hauptmenü können weitere Tools eingeblendet werden.


Aktiviert man diese werden auf der Seite Bereiche markiert, bei denen Painting-Events auftreten. So erhält man in Echtzeit einen guten Überblick, welche Bereiche für mögliche Performance-Engpässe sorgen.
2016-03-30 22_26_11
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Es gibt einen Talk von Paul Irish, der mehrere Anwendungsbeispiele veranschaulicht.

Florian Strohmaier
Florian Strohmaier
UX Designer

Mit seinen Spezialgebieten UI-Konzeption, Prototyping und Frontendentwicklung unterstützt Florian das Dev-Team bei NETWAYS. Trotz seines Design-Backgrounds fühlt er sich auch in der Technik zuhause. Gerade die Kombination aus beidem hat für ihn einen besonderen Reiz.

CSS3-Transitions

Seit CSS3 bietet die Stylesheet-Sprache die Möglichkeit von Überblendungen von CSS-Eigenschaften, wenn sich dieser beispielsweise durch einem Mouseover ändert oder per Javascript geändert wird.
Dabei wird der Übergang vom Startwert zum Zielwert über eine Zeitspanne interpoliert, es entsteht eine Animation.
Für das Erstellen von CSS-Transitions, müssen zwei Werte angegeben werden: Die Dauer für den Übergang und das CSS-Property auf die die Transition angewandt werden soll.

.element {
  transition: [transition-property] [transition-duration] [transition-timing-function] [transition-delay];
}

 
Der Übergangs-Effekt wird gestartet, sobald sich der Wert ändert.

.element:hover {
  width: 300px;
}

 
Es ist auch möglich, einen transition-Effekt für mehrere Werte anzugeben.

.element {
  transition: width 2s, height 4s;
}

 
Setzt man für transition-property den Wert all, werden Transitions für alle möglichen Werte definiert.

.element {
  transition: all 2s;
}

 

Parameter

 

transitiv Eine Abkürzung für alle Parameter
transition-delay Gibt in Millisekunden (ohne Angabe, z. B. 500) an, wie lange es dauert bis die Animation nach der Änderung des Wertes startet. . Es können auch Sekunden angegeben werden (z. B. 0.5s)
transition-duration Legt fest, wie lange die Animation in Millisekunden dauert.
transition-property Definiert, für welche CSS-Eigenschaften Transitions erstellt werden.
transition-timing-function Über diese Angabe, kann das Timing der Animation festgelegt werden.

 

Delay

Über transition-delay erhält die Transition eine Verzögerung, d.h. die Animation startet entsprechend später.
Hier zum Vergleich eine Demo zu transition-delay.

 

Timing

Das Timing bestimmt, die Funktion, mit der die Werte interpoliert werden. Dadurch kann man die Dynamik der Transition beeinflussen. Hier die Werte für die Timing-Funktion:

linear Lineare Interpolation, d.h. der Übergang geht mit gleichbleibender Geschwindigkeit von statten. Dies wirkt in der Praxis sehr mechanisch und unnatürlich.
ease langsamer Start, schneller und langsames Ende. Dies ist die dynamischste der vorgegebenen Funktionen. Der Übergang wirkt dynamisch und natürlich. Dies wird standardmäßig verwendet.
ease-in Langsamer Start.
ease-out Langsames Ende
esse-in-out Wie ease, nur etwas gleichmäßiger. Wirkt natürlich, aber gleichmäßiger als ease.
cubic-bezier(n,n,n,n) Mit diesem Wert kann kubische Bezier-Funktionen verwenden, um das Timing zu definieren. Damit lassen sich beispielsweise Bounce-Effekte erzielen.

 
Hier eine kurze Demo der einzelnen Timingfunktionen im Vergleich:

Probleme

 
Leider kann man Transitions mit dem Wert auto nicht vernünftig einsetzen. In der Praxis würde man dies beispielsweise für einen Akkordion-Effekt verwenden, bei der der Inhalt der einzelnen Container variabel ist. Leider ist die Implementierung nicht wie erwartet, der Wert springt zwischendrin auf 0 und nimmt dann ruckartig den automatisch berechneten Wert an. Dieses Problem kann leider nur mit Javascript gelöst werden, in dem man die Höhe des Inhalts berechnet und explizit angibt.

 

Browserkompatibilität

 

Bildschirmfoto 2016-02-22 um 16.01.04

Abb. 1: CSS-Transitions werden von modernen Browsern bereits unterstützt. Für ältere Versionen empfiehlt sich die Verwendung von Browser-Prefixes.


Eine Übersicht von caniuse.com zeigt, dass CSS Transition bereits gut unterstützt werden. Problem macht der Internet Explorer ab einschließlich Version 9 abwärts. Allerdings lassen sich Transitions sehr gut für einen Progressive-Enhancement-Ansatz verwenden. Da nicht unterstützende Browser die transition Angaben einfach ignorieren, kann man diese getrost verwenden. Es macht aber Sinn die Angaben mit Browser-Prefixes zu versehen, da nicht ganz aktuelle Versionen von Firefox, Safari oder Chrome die Eigenschaft nicht ohne unterstützen.
 
 

Florian Strohmaier
Florian Strohmaier
UX Designer

Mit seinen Spezialgebieten UI-Konzeption, Prototyping und Frontendentwicklung unterstützt Florian das Dev-Team bei NETWAYS. Trotz seines Design-Backgrounds fühlt er sich auch in der Technik zuhause. Gerade die Kombination aus beidem hat für ihn einen besonderen Reiz.