性能优化 阿里是如何监控前端白屏的?

性能优化 阿里是如何监控前端白屏的?

背景

不知从什么时候开始,前端白屏问题成为一个非常普遍的话题,’白屏’ 甚至成为了前端 bug 的代名词:_喂,你的页面白了。_而且,’白’ 这一现象似乎对于用户体感上来说更加强,回忆起 windows 系统的崩溃 ‘蓝屏’:

windows 系统的崩溃 '蓝屏'

可以说是非常相似了,甚至能明白了白屏这个词汇是如何统一出来的。那么,体感如此强烈的现象势必会给用户带来一些不好的影响,如何能尽早监听,快速消除影响就显得很重要了。

为什么单独监控白屏

不光光是白屏,白屏只是一种现象,我们要做的是精细化的异常监控。异常监控各个公司肯定都有自己的一套体系,集团也不例外,而且也足够成熟。但是通用的方案总归是有缺点的,如果对所有的异常都加以报警和监控,就无法区分异常的严重等级,并做出相应的响应,所以在通用的监控体系下定制精细化的异常监控是非常有必要的。这就是本文讨论白屏这一场景的原因,我把这一场景的边界圈定在了“白屏”这一现象。

方案调研

白屏大概可能的原因有两种:

  1. js执行过程中的错误
  2. 资源错误

这两者方向不同,资源错误影响面较多,且视情况而定,故不在下面方案考虑范围内。为此,参考了网上的一些实践加上自己的一些调研,大概总结出了一些方案:

一、onerror + DOM 检测

原理很简单,在当前主流的 SPA 框架下,DOM 一般挂载在一个根节点之下(比如 <div id="root"></div> )发生白屏后通常现象是根节点下所有 DOM 被卸载,该方案就是通过监听全局的 onerror 事件,在异常发生时去检测根节点下是否挂载 DOM,若无则证明白屏。我认为是非常简单暴力且有效的方案。但是也有缺点:其一切建立在 白屏 === 根节点下 DOM 被卸载 成立的前提下,实际并非如此比如一些微前端的框架,当然也有我后面要提到的方案,这个方案和我最终方案天然冲突。

二、Mutation Observer Api

不了解的可以看下文档。其本质是监听 DOM 变化,并告诉你每次变化的 DOM 是被增加还是删除。为其考虑了多种方案:

  1. 搭配 onerror 使用,类似第一个方案,但很快被我否决了,虽然其可以很好的知道 DOM 改变的动向,但无法和具体某个报错联系起来,两个都是事件监听,两者是没有必然联系的。
  2. 单独使用判断是否有大量 DOM 被卸载,缺点:白屏不一定是 DOM 被卸载,也有可能是压根没渲染,且正常情况也有可能大量 DOM 被卸载。完全走不通。
  3. 单独使用其监听时机配合 DOM 检测,其缺点和方案一一样,而且我觉得不如方案一。因为它没法和具体错误联系起来,也就是没法定位。当然我和其他团队同学交流的时候他们给出了其他方向:通过追踪用户行为数据来定位问题,我觉得也是一种方法。

一开始我认为这就是最终答案,经过了漫长的心里斗争,最终还是否定掉了。不过它给了一个比较好的监听时机的选择。

三、饿了么-Emonitor 白屏监控方案

饿了么的白屏监控方案,其原理是记录页面打开 4s 前后 html 长度变化,并将数据上传到饿了么自研的时序数据库。如果一个页面是稳定的,那么页面长度变化的分布应该呈现「幂次分布」曲线的形态,p10、p20 (排在文档前 10%、20%)等数据线应该是平稳的,在一定的区间内波动,如果页面出现异常,那么曲线一定会出现掉底的情况。

其他

其他都大同小样,其实调研了一圈下来发现无非就是两点:

监控时机

调研下来常见的就三种:

  1. onerror
  2. mutation observer api
  3. 轮训

DOM 检测

这个方案就很多了,除了上述的还可以:

  1. elementsFromPoint api 采样
  2. 图像识别
  3. 基于 DOM 的各种数据的各种算法识别

改变方向

几番尝试下来几乎没有我想要的,其主要原因是准确率–这些方案都不能保证我监听到的是白屏,单从理论的推导就说不通。他们都有一个共同点:监听的是’白屏’这个现象,从现象去推导本质虽然能成功,但是不够准确。所以我真正想要监听的是造成白屏的本质。

那么回到最开始,什么是白屏?他是如何造成的?是因为错误导致的浏览器无法渲染?不,在这个spa框架盛行的现在实际上的白屏是框架造成的,本质是由于错误导致框架不知道怎么渲染所以干脆就不渲染。由于我们团队React技术栈居多,我们来看看React官网的一段话

React官网的一段话
React 认为把一个错误的 UI 保留比完全移除它更糟糕。我们不讨论这个看法的正确与否,至少我们知道了白屏的原因:渲染过程的异常且我们没有捕获异常并处理。

反观目前的主流框架:我们把 DOM 的操作托管给了框架,所以渲染的异常处理不同框架方法肯定不一样,这大概就是白屏监控难统一化产品化的原因。但大致方向肯定是一样的。

那么关于白屏我认为可以这么定义:异常导致的渲染失败

那么白屏的监控方案即:监控渲染异常。那么对于 React 而言,答案就是:Error Boundaries

Error Boundaries

我们可以称之为错误边界,错误边界是什么?它其实就是一个生命周期,用来监听当前组件的 children 渲染过程中的错误,并可以返回一个 降级的 UI 来渲染:

class ErrorBoundary extends React.Component {
  constructor(props) {
    super(props);
    this.state = { hasError: false };
  }

  static getDerivedStateFromError(error) {
    // 更新 state 使下一次渲染能够显示降级后的 UI
    return { hasError: true };
  }

  componentDidCatch(error, errorInfo) {
    // 我们可以将错误日志上报给服务器
    logErrorToMyService(error, errorInfo);
  }

  render() {
    if (this.state.hasError) {
      // 我们可以自定义降级后的 UI 并渲染
      return <h1>Something went wrong.</h1>;
    }

    return this.props.children; 
  }
}

一个有责任心的开发一定不会放任错误的发生。错误边界可以包在任何位置并提供降级 UI,也就是说,一旦开发者’有责任心’ 页面就不会全白,这也是我之前说的方案一与之天然冲突且其他方案不稳定的情况。那么,在这同时我们上报异常信息,这里上报的异常一定会导致我们定义的白屏,这一推导是 100% 正确的。

100% 这个词或许不够负责,接下来我们来看看为什么我说这一推导是 100% 准确的:

React 渲染流程

我们来简单回顾下从代码到展现页面上 React 做了什么。我大致将其分为几个阶段:render => 任务调度 => 任务循环 => 提交 => 展示 我们举一个简单的例子来展示其整个过程(任务调度不再本次讨论范围故不展示):

const App = ({ children }) => (
  <>
    <p>hello</p>
    { children }
  </>
);
const Child = () => <p>I'm child</p>

const a = ReactDOM.render(
  <App><Child/></App>,
  document.getElementById('root')
);

准备

首先浏览器是不认识我们的jsx语法的,所以我们通过babel编译大概能得到下面的代码:

var App = function App(_ref2) {
  var children = _ref2.children;
  return React.createElement("p", null, "hello"), children);
};

var Child = function Child() {
  return React.createElement("p", null, "I'm child");
};

ReactDOM.render(React.createElement(App, null, React.createElement(Child, null)), document.getElementById('root'));

babel 插件将所有的 jsx 都转成了 createElement 方法,执行它会得到一个描述对象 ReactElement 大概长这样子:

{
    $$typeof: Symbol(react.element),
  key: null,
  props: {}, // createElement 第二个参数 注意 children 也在这里,children 也会是一个 ReactElement 或 数组
  type: 'h1' // createElement 的第一个参数,可能是原生的节点字符串,也可能是一个组件对象(Function、Class...)
}

所有的节点包括原生的 <a></a> 、 <p></p> 都会创建一个 FiberNode ,他的结构大概长这样:

FiberNode = {
    elementType: null, // 传入 createElement 的第一个参数
  key: null,
  type: HostRoot, // 节点类型(根节点、函数组件、类组件等等)
  return: null, // 父 FiberNode
  child: null, // 第一个子 FiberNode
  sibling: null, // 下一个兄弟 FiberNode
  flag: null, // 状态标记
}

你可以把它理解为 Virtual Dom 只不过多了许多调度的东西。最开始我们会为根节点创建一个 FiberNodeRoot 如果有且仅有一个 ReactDOM.render 那么他就是唯一的根,当前有且仅有一个 FiberNode 树。

我只保留了一些渲染过程中重要的字段,其他还有很多用于调度、判断的字段我这边就不放出来了,有兴趣自行了解

render

现在我们要开始渲染页面,是我们刚才的例子,执行 ReactDOM.render 。这里我们有个全局 workInProgress 对象标志当前处理的 FiberNode

  1. 首先我们为根节点初始化一个 FiberNodeRoot ,他的结构就如上面所示,并将 workInProgress= FiberNodeRoot
  2. 接下来我们执行 ReactDOM.render 方法的第一个参数,我们得到一个 ReactElement :
ReactElement = {
  $$typeof: Symbol(react.element),
  key: null,
  props: {
    children: {
      $$typeof: Symbol(react.element),
      key: null,
      props: {},
      ref: null,
      type: ƒ Child(),
    }
  }
  ref: null,
  type: f App()
}

该结构描述了 <App><Child /></App>

1. 我们为 ReactElement 生成一个 FiberNode 并把 return 指向父 FiberNode ,最开始是我们的根节点,并将 workInProgress = FiberNode

{
  elementType: f App(), // type 就是 App 函数
  key: null,
  type: FunctionComponent, // 函数组件类型
  return: FiberNodeRoot, // 我们的根节点
  child: null,
  sibling: null,
  flags: null
}

2. 只要workInProgress 存在我们就要处理其指向的 FiberNode 。节点类型有很多,处理方法也不太一样,不过整体流程是相同的,我们以当前函数式组件为例子,直接执行 App(props) 方法,这里有两种情况

3. 该组件 return 一个单一节点,也就是返回一个 ReactElement 对象,重复 3 – 4 的步骤。并将当前 节点的 child 指向子节点 CurrentFiberNode.child = ChildFiberNode 并将子节点的 return 指向当前节点 ChildFiberNode.return = CurrentFiberNode

4. 该组件 return 多个节点(数组或者 Fragment ),此时我们会得到一个 ChildiFberNode 的数组。我们循环他,每一个节点执行 3 – 4 步骤。将当前节点的 child 指向第一个子节点 CurrentFiberNode.child = ChildFiberNodeList[0] ,同时每个子节点的 sibling 指向其下一个子节点(如果有) ChildFiberNode[i].sibling = ChildFiberNode[i + 1] ,每个子节点的 return 都指向当前节点 ChildFiberNode[i].return = CurrentFiberNode

如果无异常每个节点都会被标记为待布局 FiberNode.flags = Placement

5. 重复步骤直到处理完全部节点workInProgress为空。

最终我们能大概得到这样一个FiberNode树:

FiberNodeRoot = {
  elementType: null,
  type: HostRoot,
  return: null,
  child: FiberNode<App>,
  sibling: null,
  flags: Placement, // 待布局状态
}

FiberNode<App> {
  elementType: f App(),
  type: FunctionComponent,
  return: FiberNodeRoot,
  child: FiberNode<p>,
  sibling: null,
  flags: Placement // 待布局状态
}

FiberNode<p> {
  elementType: 'p',
  type: HostComponent,
  return: FiberNode<App>,
  sibling: FiberNode<Child>,
  child: null,
  flags: Placement // 待布局状态
}

FiberNode<Child> {
  elementType: f Child(),
  type: FunctionComponent,
  return: FiberNode<App>,
  child: null,
  flags: Placement // 待布局状态
}

提交阶段

提交阶段简单来讲就是拿着这棵树进行深度优先遍历 child => sibling,放置 DOM 节点并调用生命周期。

那么整个正常的渲染流程简单来讲就是这样。接下来看看异常处理

错误边界流程

刚刚我们了解了正常的流程现在我们制造一些错误并捕获他:

const App = ({ children }) => (
  <>
  <p>hello</p>
  { children }
  </>
);
const Child = () => <p>I'm child {a.a}</p>

const a = ReactDOM.render(
  <App>
    <ErrorBoundary><Child/></ErrorBoundary>
  </App>,
  document.getElementById('root')
);

执行步骤 4 的函数体是包裹在 try...catch 内的如果捕获到了异常则会走异常的流程:

do {
  try {
    workLoopSync(); // 上述 步骤 4
    break;
  } catch (thrownValue) {
    handleError(root, thrownValue);
  }
} while (true);

执行步骤 4 时我们调用 Child 方法由于我们加了个不存在的表达式 {a.a} 此时会抛出异常进入我们的 handleError 流程此时我们处理的目标是 FiberNode<Child> ,我们来看看 handleError :

function handleError(root, thrownValue): void {
  let erroredWork = workInProgress; // 当前处理的 FiberNode 也就是异常的 节点
  throwException(
    root, // 我们的根 FiberNode
    erroredWork.return, // 父节点
    erroredWork,
    thrownValue, // 异常内容
  );
    completeUnitOfWork(erroredWork);
}

function throwException(
  root: FiberRoot,
  returnFiber: Fiber,
  sourceFiber: Fiber,
  value: mixed,
) {
  // The source fiber did not complete.
  sourceFiber.flags |= Incomplete;

  let workInProgress = returnFiber;
  do {
    switch (workInProgress.tag) {
      case HostRoot: {
        workInProgress.flags |= ShouldCapture;
        return;
      }
      case ClassComponent:
        // Capture and retry
        const ctor = workInProgress.type;
        const instance = workInProgress.stateNode;
        if (
          (workInProgress.flags & DidCapture) === NoFlags &&
          (typeof ctor.getDerivedStateFromError === 'function' ||
            (instance !== null &&
              typeof instance.componentDidCatch === 'function' &&
              !isAlreadyFailedLegacyErrorBoundary(instance)))
        ) {
          workInProgress.flags |= ShouldCapture;
          return;
        }
        break;
      default:
        break;
    }
    workInProgress = workInProgress.return;
  } while (workInProgress !== null);
}

代码过长截取一部分 先看 throwException 方法,核心两件事:

  1. 将当前也就是出问题的节点状态标志为未完成 FiberNode.flags = Incomplete
  2. 从父节点开始冒泡,向上寻找有能力处理异常( ClassComponent )且的确处理了异常的(声明了 getDerivedStateFromError 或 componentDidCatch 生命周期)节点,如果有,则将那个节点标志为待捕获 workInProgress.flags |= ShouldCapture ,如果没有则是根节点。

completeUnitOfWork 方法也类似,从父节点开始冒泡,找到 ShouldCapture 标记的节点,如果有就标记为已捕获 DidCapture ,如果没找到,则一路把所有的节点都标记为 Incomplete 直到根节点,并把 workInProgress 指向当前捕获的节点。

之后从当前捕获的节点(也有可能没捕获是根节点)开始重新走流程,由于其状态 react 只会渲染其降级 UI,如果有 sibling 节点则会继续走下面的流程。我们看看上述例子最终得到的 FiberNode 树:

FiberNodeRoot = {
  elementType: null,
  type: HostRoot,
  return: null,
  child: FiberNode<App>,
  sibling: null,
  flags: Placement, // 待布局状态
}

FiberNode<App> {
  elementType: f App(),
  type: FunctionComponent,
  return: FiberNodeRoot,
  child: FiberNode<p>,
  sibling: null,
  flags: Placement // 待布局状态
}

FiberNode<p> {
  elementType: 'p',
  type: HostComponent,
  return: FiberNode<App>,
  sibling: FiberNode<ErrorBoundary>,
  child: null,
  flags: Placement // 待布局状态
}

FiberNode<ErrorBoundary> {
  elementType: f ErrorBoundary(),
  type: ClassComponent,
  return: FiberNode<App>,
  child: null,
  flags: DidCapture // 已捕获状态
}

FiberNode<h1> {
  elementType: f ErrorBoundary(),
  type: ClassComponent,
  return: FiberNode<ErrorBoundary>,
  child: null,
  flags: Placement // 待布局状态
}

如果没有配置错误边界那么根节点下就没有任何节点,自然无法渲染出任何内容。

ok,相信到这里大家应该清楚错误边界的处理流程了,也应该能理解为什么我之前说由 ErrorBoundry 推导白屏是 100% 正确的。当然这个 100% 指的是由 ErrorBoundry 捕捉的异常基本上会导致白屏,并不是指它能捕获全部的白屏异常。以下场景也是他无法捕获的:

  • 事件处理
  • 异步代码
  • SSR
  • 自身抛出来的错误

React SSR 设计使用流式传输,这意味着服务端在发送已经处理好的元素的同时,剩下的仍然在生成 HTML,也就是其父元素无法捕获子组件的错误并隐藏错误的组件。这种情况似乎只能将所有的 render 函数包裹 try...catch ,当然我们可以借助 babel 或 TypeScript 来帮我们简单实现这一过程,其最终得到的效果是和 ErrorBoundry 类似的。

而事件和异步则很巧,虽说 ErrorBoundry 无法捕获他们之中的异常,不过其产生的异常也恰好不会造成白屏(如果是错误的设置状态,间接导致了白屏,刚好还是会被捕获到)。这就在白屏监控的职责边界之外了,需要别的精细化监控能力来处理它。

总结

那么最后总结下本文的出的几个结论:我对白屏的定义:异常导致的渲染失败。对应方案是:资源监听 + 渲染流程监听

在目前 SPA 框架下白屏的监控需要针对场景做精细化的处理,这里以 React 为例子,通过监听渲染过程异常能够很好的获得白屏的信息,同时能增强开发者对异常处理的重视。而其他框架也会有相应的方法来处理这一现象。

当然这个方案也有弱点,由于是从本质推导现象其实无法 cover 所有的白屏的场景,比如我要搭配资源的监听来处理资源异常导致的白屏。当然没有一个方案是完美的,我这里也是提供一个思路,欢迎大家一起讨论。

作者:ES2049 / 金城武

原文:点击这里

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