构建单页Web应用

摘自前端农民工的博客

让我们先来看几个网站：

注意这几个网站的相同点，那就是在浏览器中，做了原先“应当”在客户端做的事情。它们的界面切换非常流畅，响应很迅速，跟传统的网页明显不一样，它们是什么呢？这就是单页Web应用。

所谓单页应用，指的是在一个页面上集成多种功能，甚至整个系统就只有一个页面，所有的业务功能都是它的子模块，通过特定的方式挂接到主界面上。它是AJAX技术的进一步升华，把AJAX的无刷新机制发挥到极致，因此能造就与桌面程序媲美的流畅用户体验。

其实单页应用我们并不陌生，很多人写过ExtJS的项目，用它实现的系统，很天然的就已经是单页的了，也有人用jQuery或者其他框架实现过类似的东西。用各种JS框架，甚至不用框架，都是可以实现单页应用的，它只是一种理念。有些框架适用于开发这种系统，如果使用它们，可以得到很多便利。

开发框架

ExtJS可以称为第一代单页应用框架的典型，它封装了各种UI组件，用户主要使用JavaScript来完成整个前端部分，甚至包括布局。随着功能逐渐增加，ExtJS的体积也逐渐增大，即使用于内部系统的开发，有时候也显得笨重了，更不用说开发以上这类运行在互联网上的系统。

jQuery由于偏重DOM操作，它的插件体系又比较松散，所以比ExtJS这个体系更适合开发在公网运行的单页系统，整个解决方案会相对比较轻量、灵活。

但由于jQuery主要面向上层操作，它对代码的组织是缺乏约束的。如何在代码急剧膨胀的情况下控制每个模块的内聚性，并且适当在模块之间产生数据传递与共享，就成为了一种有挑战的事情。

为了解决单页应用规模增大时候的代码逻辑问题，出现了不少MV*框架，他们的基本思路都是在JS层创建模块分层和通信机制。有的是MVC，有的是MVP，有的是MVVM，而且，它们几乎都在这些模式上产生了变异，以适应前端开发的特点。

这类框架包括Backbone，Knockout，AngularJS，Avalon等。

组件化

这些在前端做分层的框架推动了代码的组件化，所谓组件化，在传统的Web产品中，更多的指UI组件，但其实组件是一个广泛概念，传统Web产品中UI组件占比高的原因是它的厚度不足，随着客户端代码比例的增加，相当一部分的业务逻辑也前端化，由此催生了很多非界面型组件的出现。

分层带来的一个优势是，每层的职责更专一了，由此，可以对其作单元测试的覆盖，以保证其质量。传统UI层测试最头疼的问题是UI层和逻辑混杂在一起，比如往往会在远程请求的回调中更改DOM，当引入分层之后，这些东西都可以分别被测试，然后再通过场景测试来保证整体流程。

代码隔离

与开发传统页面型网站相比，实现单页应用的过程中，有一些比较值得特别关注的点。

从单页应用的特点来看，它比页面型网站更加依赖于JavaScript，而由于页面的单页化，各种子功能的JavaScript代码聚集到了同一个作用域，所以代码的隔离、模块化变得很重要。

在单页应用中，页面模板的使用是很普遍的。很多框架内置了特定的模板，也有的框架需要引入第三方的模板。这种模板是界面片段，我们可以把它们类比成JavaScript模块，它们是另一种类型的组件。

模板也一样有隔离的需要。不隔离模板，会造成什么问题呢？模板间的冲突主要存在于id属性上，如果一个模板中包含固定的id，当它被批量渲染的时候，会造成同一个页面的作用域中出现多个相同id的元素，产生不可预测的后果。因此，我们需要在模板中避免使用id，如果有对DOM的访问需求，应当通过其他选择器来完成。如果一个单页应用的组件化程度非常高，很可能整个应用中都没有元素id的使用。

代码合并与加载策略

人们对于单页系统的加载时间容忍度与Web页面不同，如果说他们愿意为购物页面的加载等待3秒，有可能会愿意为单页应用的首次加载等待5-10秒，但在此之后，各种功能的使用应当都比较流畅，所有子功能页面尽量要在1-2秒时间内切换成功，否则他们就会感觉这个系统很慢。

从这些特点来看，我们可以把更多的公共功能放到首次加载，以减小每次加载的载入量，有一些站点甚至把所有的界面和逻辑全部放到首页加载，每次业务界面切换的时候，只产生数据请求，因此它的响应是非常迅速的，比如青云的控制台就是这么做的。

通常在单页应用中，无需像网站型产品一样，为了防止文件加载阻塞渲染，把js放到html后面加载，因为它的界面基本都是动态生成的。

当切换功能的时候，除了产生数据请求，还需要渲染界面，这个新渲染的界面部件一般是界面模板，它从哪里来呢？来源无非是两种，一种是即时请求，像请求数据那样通过AJAX获取过来，另一种是内置于主界面的某些位置，比如script标签或者不可见的textarea中，后者在切换功能的时候速度有优势，但是加重了主页面的负担。

在传统的页面型网站中，页面之间是互相隔离的，因此，如果在页面间存在可复用的代码，一般是提取成单独的文件，并且可能会需要按照每个页面的需求去进行合并。单页应用中，如果总的代码量不大，可以整体打包一次在首页载入，如果大到一定规模，再作运行时加载，加载的粒度可以搞得比较大，不同的块之间没有重复部分。

路由与状态的管理

我们最开始看到的几个在线应用，有的是对路由作了管理的，有的没有。

管理路由的目的是什么呢？是为了能减少用户的导航成本。比如说我们有一个功能，经历过多次导航菜单的点击，才呈现出来。如果用户想要把这个功能地址分享给别人，他怎么才能做到呢？

传统的页面型产品是不存在这个问题的，因为它就是以页面为单位的，也有的时候，服务端路由处理了这一切。但是在单页应用中，这成为了问题，因为我们只有一个页面，界面上的各种功能区块是动态生成的。所以我们要通过对路由的管理，来实现这样的功能。

具体的做法就是把产品功能划分为若干状态，每个状态映射到相应的路由，然后通过pushState这样的机制，动态解析路由，使之与功能界面匹配。

有了路由之后，我们的单页面产品就可以前进后退，就像是在不同页面之间一样。

其实在Web产品之外，早就有了管理路由的技术方案，Adobe Flex中，就会把比如TabNavigator，甚至下拉框的选中状态对应到url上，因为它也是单“页面”的产品模式，需要面对同样的问题。

当产品状态复杂到一定程度的时候，路由又变得很难应用了，因为状态的管理极其麻烦，比如开始的时候我们演示的c9.io在线IDE，它就没法把状态对应到url上。

缓存与本地存储

在单页应用的运作机制中，缓存是一个很重要的环节。

由于这类系统的前端部分几乎全是静态文件，所以它能够有机会利用浏览器的缓存机制，而比如动态加载的界面模板，也完全可以做一些自定义的缓存机制，在非首次的请求中直接取缓存的版本，以加快加载速度。

甚至，也出现了一些方案，在动态加载JavaScript代码的同时，把它们也缓存起来。比如Addy Osmani的这个basket.js，就利用了HTML5 localStorage作了js和css文件的缓存。

在单页产品中，业务代码也常常会需要跟本地存储打交道，存储一些临时数据，可以使用localStorage或者localStorageDB来简化自己的业务代码。

服务端通信

传统的Web产品通常使用JSONP或者AJAX这样的方式与服务端通信，但在单页Web应用中，有很大一部分采用WebSocket这样的实时通讯方式。

WebSocket与传统基于HTTP的通信机制相比，有很大的优势。它可以让服务端很便利地使用反向推送，前端只响应确实产生业务数据的事件，减少一遍又一遍无意义的AJAX轮询。

由于WebSocket只在比较先进的浏览器上被支持，有一些库提供了在不同浏览器中的兼容方案，比如socket.io，它在不支持WebSocket的浏览器上会降级成使用AJAX或JSONP等方式，对业务代码完全透明、兼容。

内存管理

传统的Web页面一般是不需要考虑内存的管理的，因为用户的停留时间相对少，即使出现内存泄漏，可能很快就被刷新页面之类的操作冲掉了，但单页应用是不同的，它的用户很可能会把它开一整天，因此，我们需要对其中的DOM操作、网络连接等部分格外小心。

样式的规划

在单页应用中，因为页面的集成度高，所有页面聚集到同一作用域，样式的规划也变得重要了。

样式规划主要是几个方面：

基准样式的分离

这里面主要包括浏览器样式的重设、全局字体的设置、布局的基本约定和响应式支持。

组件样式的划分

这里面是两个层面的规划，首先是各种界面组件及其子元素的样式，其次是一些修饰样式。组件样式应当尽量减少互相依赖，各组件的样式允许冗余。

堆叠次序的管理

传统Web页面的特点是元素多，但是层次少，单页应用会有些不同。

在单页应用中，需要提前为各种UI组件规划堆叠次序，也就是z-index，比如说，我们可能会有各种弹出对话框，浮动层，它们可能组合成各种堆叠状态。新的对话框的z-index需要比旧的高，才能确保盖在它上面。诸如此类，都需要我们对这些可能的遮盖作规划，那么，怎样去规划呢？

了解通信知识的人，应当会知道，不同的频率段被划分给不同的通信方式使用，在一些国家，领空的使用也是有划分的，我们也可以用同样的方式来预先分段，不同类型的组件的z-index落到各自的区间，以避免它们的冲突。

单页应用的产品形态

我们在开始的时候提到，存在着很多新型Web产品，使用单页应用的方式构建，但实际上，这类产品不仅仅存在于Web上。点开Chrome商店，我们会发现很多离线应用，这些产品都可以算是单页应用的体现。

除了各种浏览器插件，借助node-webkit这样的外壳平台，我们可以使用Web技术来构建本地应用，产品的主要部分仍然是我们熟悉的单页应用。

单页应用的流行程度正在逐渐增加，大家如果关注了一些初创型互联网企业，会发现其中很大一部分的产品模式是单页化的。这种模式能带给用户流畅的体验，在开发阶段，对JavaScript技能水平要求较高。

单页应用开发过程中，前后端是天然分离的，双方以API为分界。前端作为服务的消费者，后端作为服务的提供者。在此模式下，前端将会推动后端的服务化。当后端不再承担模板渲染、输出页面这样工作的情况下，它可以更专注于所提供的API的实现，而在这样的情况下，Web前端与各种移动终端的地位对等，也逐渐使得后端API不必再为每个端作差异化设计了。

部署模式的改变

在现在这个时代，我们已经可以看到一种产品的出现了，那就是“无后端”的Web应用。这是一种什么东西呢？基于这种理念，你的产品很可能只需要自己编写静态Web页面，在某种BaaS（Backend as a Service）云平台上定制服务端API和云存储，集成这个平台提供的SDK，通过AJAX等方式与之打交道，实现注册认证、社交、消息推送、实时通信、云存储等功能。

我们观察一下这种模式，会发现前后端的部署已经完全分离了，前端代码完全静态化，这意味着可以把它们放置到CDN上，访问将大大地加速，而服务端托管在BaaS云上，开发者也不必去关注一些部署方面的繁琐细节。

假设你是一名创业者，正在做的是一种实时协同的单页产品，可以在云平台上，快速定制后端服务，把绝大部分宝贵的时间花在开发产品本身上。

单页应用的缺陷

单页应用最根本的缺陷就是不利于SEO，因为界面的绝大部分都是动态生成的，所以搜索引擎很不容易索引它。

产品单页化带来的挑战

一个产品想要单页化，首先是它必须适合单页的形态。其次，在这个过程中，对开发模式会产生一些变更，对开发技能也会有一些要求。

开发者的JavaScript技能必须过关，同时需要对组件化、设计模式有所认识，他所面对的不再是一个简单的页面，而是一个运行在浏览器环境中的桌面软件。

用JS渲染的单页面应用其实性能还是比较差的

证明这个结论之前，要先阐述一下浏览器的渲染机制，这里先祭出这篇文章：《关键呈现路径》，文章主要介绍了浏览器渲染过程，其实大家也大概都了解过：

如上图，浏览器通过网络请求加载页面资源，在页面呈现之前无论如何都要经历以下过程：

HTML→DOM
CSS→CSSOM
DOM + CSSOM → Render Tree
对Render Tree进行布局计算(Layout)
对布局结果进行屏幕绘制(Paint)

如果在JS渲染页面模式下，需要在前端用JS加载样式并组装数据生成HTML插入页面，以上浏览器渲染过程必须等到页面加载完CSS，并且JS加载完数据拼装好HTML之后才能开始进行，一般的网络时序如下：

大概阐述一下这个流程：

浏览器发起请求加载主文档
服务端响应一个基本骨架的主文档
浏览器加载主文档中外链的loader.js（根据路由控制资源加载的）
服务端响应loader.js
loader.js执行，根据页面url判断用户访问到哪个虚拟页面，然后再发起请求加载对应页面的js和css
页面所需JS和CSS都加载完毕，JS执行，发起请求加载数据
数据加载完毕，JS执行前端模板拼装，插入DOM节点，然后浏览器开始前述渲染过程
最终页面呈现

概括一下，加载时序大概是这样的：

以上加载过程均为串行，需要至少多付出3次RTT。如果把这种架构应用在高延迟的网络环境下（比如移动2G），那就是找死啊（其实国内现在的网络环境很好了，这样搞问题或许不太明显）。

当然，上面的例子还是常规了一些，有些请求可以适当合并，进一步优化之后，大概可以搞成这个样子：

就是首次请求的主文档尽量多内嵌一些东西，除了HTML骨架之外，把loader.js内嵌，再加一个loading界面，让用户觉得没那么长时间白屏，另外如果前端路由切换是pusState控制的话，可以在服务端知道前端路由url，然后在主文档中直接内嵌数据，主文档体积大了不少，但是可以减少2次RTT，优化对比：