Web應(yīng)用中縮短Web響應(yīng)時(shí)間的技術(shù)研究

　　1 引 言

　　性能是Web應(yīng)用程序成功與否的關(guān)鍵因素，響應(yīng)時(shí)間則是性能的一個(gè)重要指標(biāo)，尤其是從用戶的角度來(lái)看，隨著同時(shí)訪問(wèn)的用戶數(shù)的增加，Web應(yīng)用程序的響應(yīng)時(shí)間也會(huì)相應(yīng)增加，當(dāng)其增加到用戶無(wú)法接受的程度時(shí)，用戶便會(huì)失去耐心而離開(kāi)該網(wǎng)站。根據(jù)Zona Research的研究指出，如果使用者等待下載網(wǎng)頁(yè)的時(shí)間超過(guò)8 s，將有30％的用戶選擇停止瀏覽網(wǎng)頁(yè)，同樣的研究表明，如果下載網(wǎng)頁(yè)的時(shí)間縮短1 s，則這個(gè)數(shù)字將從30％降低到8％。由此可見(jiàn)終端用戶所感到的時(shí)間延遲(user-perceivedlatency)已經(jīng)成為今天Internet的主要性能問(wèn)題。

　　在網(wǎng)絡(luò)帶寬并沒(méi)有得到相對(duì)擴(kuò)充、網(wǎng)絡(luò)流量絕對(duì)增加的情況下，是否能找到一些有效的辦法，縮短整個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)用戶click的響應(yīng)時(shí)間。本文針對(duì)這一問(wèn)題，從Web應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的角度出發(fā)，通過(guò)提高Web應(yīng)用程序的性能，從而加速網(wǎng)絡(luò)對(duì)用戶的反應(yīng)速度，縮短用戶感知的時(shí)間延遲。

　　2 Web數(shù)據(jù)響應(yīng)時(shí)間

　　從終端用戶的觀點(diǎn)看，從瀏覽器對(duì)網(wǎng)站發(fā)出一個(gè)HTTP GET的請(qǐng)求，一直到網(wǎng)站服務(wù)器完整地傳回網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容至瀏覽器的這段過(guò)程可以描述為圖1所示的時(shí)序圖。

　　客戶端和Web服務(wù)器之間HTTP信息的傳送是通過(guò)TCP連接實(shí)現(xiàn)的。圖1描述Web請(qǐng)求中的所有時(shí)間延遲?？蛻舳讼?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/服務(wù)器">服務(wù)器發(fā)送文件請(qǐng)求，首先建立TCP連接(1～3)，連接建立后，Web服務(wù)器響應(yīng)且發(fā)送文件至客戶端，客戶端接受文件且在屏幕上顯示出來(lái)(4～5)。如果文件中包含圖片或者需要在屏幕上顯示的處理數(shù)據(jù)，客戶端瀏覽器就需要發(fā)送請(qǐng)求去檢索獲取這些數(shù)據(jù)(6～n)。整個(gè)Web頁(yè)面在屏幕上顯示，其中可能含有連接，如果用戶點(diǎn)擊連接，瀏覽器就需要使用同樣的過(guò)程檢索新的頁(yè)面。

　　根據(jù)圖1和以上分析，定義如下的概念：

　　定義1 用戶感知時(shí)間Tuser用戶從瀏覽器對(duì)網(wǎng)站發(fā)出一個(gè)HTTP GET的請(qǐng)求，直到服務(wù)器完整地回傳網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容至瀏覽器的這段時(shí)間。

　　定義2 Web數(shù)據(jù)響應(yīng)時(shí)間TWeb設(shè)Tpage為頁(yè)面下載時(shí)間，Tcontent為內(nèi)容生成時(shí)間，則整個(gè)頁(yè)面的響應(yīng)時(shí)間，則：

　　如前面所述，在網(wǎng)絡(luò)帶寬并沒(méi)有擴(kuò)充的情況下，則式(1)中的Tc這段時(shí)間就是固定的，那么提高網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵就是如何縮短Th+Ti，也就是定義2中的Web數(shù)據(jù)響應(yīng)時(shí)間TWeb。在本文中，從開(kāi)發(fā)Web應(yīng)用程序的角度出發(fā)，從數(shù)據(jù)訪問(wèn)、減少網(wǎng)絡(luò)通信量以及緩存3個(gè)方面討論縮短Web數(shù)據(jù)響應(yīng)時(shí)間的方法，并對(duì)這些方法的使用效果作了測(cè)試比較。

　　3 減少數(shù)據(jù)顯示的響應(yīng)時(shí)間

　　目前的Web應(yīng)用開(kāi)發(fā)大多采用基于B／S模式的3層架構(gòu)，如圖2所示。

　　分層分離了邏輯，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次明晰，系統(tǒng)變得靈活和易于維護(hù)。圖2很好地說(shuō)明了Web中的分層架構(gòu)，同時(shí)也描述Web頁(yè)面提取數(shù)據(jù)顯示的過(guò)程，以下從軟件處理數(shù)據(jù)的角度分別討論如何縮短數(shù)據(jù)訪問(wèn)及Web數(shù)據(jù)顯示延遲，從而縮短Web數(shù)據(jù)的響應(yīng)時(shí)間，減少用戶感知時(shí)間，提高用戶的滿意度。

　　3.1 數(shù)據(jù)訪問(wèn)的優(yōu)化

　　對(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)速度很大程度上影響應(yīng)用系統(tǒng)的性能，如果被請(qǐng)求的頁(yè)面是一個(gè)靜態(tài)頁(yè)面或只有一小部分內(nèi)容需要從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取，則它的加載速度比那些需要從數(shù)據(jù)庫(kù)中大量讀取數(shù)據(jù)或不斷從數(shù)據(jù)庫(kù)接收和更新數(shù)據(jù)的頁(yè)面要快，因此，對(duì)于動(dòng)態(tài)的頁(yè)面來(lái)說(shuō)，對(duì)SQL層數(shù)據(jù)處理的優(yōu)化就顯得非常重要。在Web開(kāi)發(fā)中，除了傳統(tǒng)的改善數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)和優(yōu)化SQL語(yǔ)句外，主要從以下的幾個(gè)方進(jìn)行優(yōu)化。

　　3.1.1 使用XML技術(shù)

　　對(duì)于普通數(shù)據(jù)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)而言，在數(shù)據(jù)量不大的情況下，一般性查詢?cè)趫?zhí)行速度上，不會(huì)有什么問(wèn)題。每次數(shù)據(jù)提取需要1次網(wǎng)絡(luò)往返，這在應(yīng)用程序處理海量結(jié)果集時(shí)會(huì)影響性能。比如每次查詢數(shù)據(jù)在十萬(wàn)數(shù)量級(jí)，速度問(wèn)題就會(huì)暴露出來(lái)。但是實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，在匯總統(tǒng)計(jì)查詢中，用戶查詢頻繁但變動(dòng)并不大，因此可以考慮借助XML獲取數(shù)據(jù)來(lái)解決上述的問(wèn)題。

　　采用XML技術(shù)，可將查詢的結(jié)果生成XML文件保存在Web服務(wù)器上，使客戶端能夠直接和XML文件進(jìn)行交互，以節(jié)省訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的資源；同時(shí)也可以將XML傳送到客戶端，在客戶端恢復(fù)為數(shù)據(jù)集，此后就可以直接在客戶端進(jìn)行一些操作，而不必和服務(wù)器交互，建立非連接的數(shù)據(jù)訪問(wèn)以節(jié)省時(shí)間。這里采用以下的算法過(guò)程利用XML技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)。

　　(1)建立數(shù)據(jù)庫(kù)連接，生成查詢結(jié)果數(shù)據(jù)集(DataSet)；

　　(2)用XmlDataDocument將查詢結(jié)果集(DataSet)以XML形式保存在Web服務(wù)器的指定目錄下，同時(shí)斷開(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)連接；

　　(3)一旦用戶發(fā)送訪問(wèn)請(qǐng)求，首先查詢Web服務(wù)器指定目錄下是否有滿足條件的XML文件，如果存在轉(zhuǎn)(4)，否則轉(zhuǎn)(1)；

　　(4)創(chuàng)建XmlDataDocument對(duì)象，并用其Load方法加載該XML文件；

　　(5)利用XPath或者XQuery查詢技術(shù)，查詢已加載的XML文件，生成相應(yīng)的結(jié)果集。

　　從上面的過(guò)程可以看出，一旦有用戶發(fā)送查詢請(qǐng)求，首先將數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為XML文檔，保存在Web服務(wù)器上，然后查詢XML文件中的數(shù)據(jù)，獲取查詢結(jié)果。之后如果有新的請(qǐng)求查詢相同的記錄時(shí)，可以直接從Web服務(wù)器的XML文件中提取數(shù)據(jù)而不用再訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)。這對(duì)于用戶頻繁的查詢匯總操作中，優(yōu)勢(shì)非常明顯，且效率很高。這種思想在邏輯上將數(shù)據(jù)的生成和操作分開(kāi)，同時(shí)節(jié)省了和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器建立連接的時(shí)間，將其轉(zhuǎn)換為對(duì)服務(wù)器端XMl文件的讀取，有效地減輕了對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的負(fù)荷。

　　3.1.2 使用連接池

　　建立Web應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的TCP連接時(shí)，DBMS需要為其分配多種資源，而在釋放連接時(shí)，DBMS需要釋放掉這些資源，分配和釋放資源都是比較耗時(shí)的工作，因此反復(fù)建立和釋放連接勢(shì)必會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。實(shí)際上，大多數(shù)應(yīng)用程序僅使用1個(gè)或幾個(gè)不同的連接配置。這意味著在執(zhí)行應(yīng)用程序期間，許多相同的連接將反復(fù)地打開(kāi)和關(guān)閉。為了使打開(kāi)的連接成本最低，ADO.NET使用連接池的優(yōu)化方法。

　　連接池技術(shù)能夠能重用到數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，而不是每次請(qǐng)求都建立新的TCP連接，新連接僅在連接池中得不到連接時(shí)才建立。當(dāng)連接被關(guān)閉時(shí)，它被返回到連接池中，在那里它仍然保持與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，與完全斷開(kāi)TCP連接相反。池進(jìn)程保持物理連接的所有權(quán)。通過(guò)為每個(gè)給定的連接配置保留一組活動(dòng)連接來(lái)管理連接。只要用戶在連接上調(diào)用Open，池進(jìn)程就會(huì)檢查池中是否有可用的連接。如果某個(gè)池連接可用，會(huì)將該連接返回給調(diào)用者，而不是打開(kāi)新連接。應(yīng)用程序在該連接上調(diào)用Close時(shí)，池進(jìn)程會(huì)將連接返回到活動(dòng)連接池集中，而不是真正關(guān)閉連接。連接返回到池中之后，即可在下一個(gè)Open調(diào)用中重復(fù)使用。

　　池連接可以大大提高應(yīng)用程序的性能和可縮放性。默認(rèn)情況下，ADO.NET中啟用連接池。除非顯式禁用，否則，連接在應(yīng)用程序中打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)，池進(jìn)程將對(duì)連接進(jìn)行優(yōu)化。

　　3.2 表示層的數(shù)據(jù)顯示

　　對(duì)于優(yōu)化B／S下的數(shù)據(jù)顯示方面，主要考慮數(shù)據(jù)傳輸量的大小，數(shù)據(jù)傳輸量的大小是決定顯示響應(yīng)速度的必要前提，這一點(diǎn)是B／S的弱項(xiàng)。數(shù)據(jù)傳輸量是指在客戶端Web瀏覽器和Web服務(wù)器之間傳送的數(shù)據(jù)量。在用VS.NET開(kāi)發(fā)程序的過(guò)程中，通過(guò)減少網(wǎng)絡(luò)的通信量減少IE瀏覽器和Web服務(wù)器層之間的數(shù)據(jù)傳數(shù)量，縮短用戶感知時(shí)間。

　　3.2.1 使用緩存技術(shù)

　　合理有效地設(shè)計(jì)和使用緩存是優(yōu)化應(yīng)用系統(tǒng)性能的重要手段，在基于Web的支持大量用戶的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，這一點(diǎn)尤為明顯。ASP.NET中的緩存能夠提供性能和伸縮性的最大效益、利用有效的緩存、可以避免Web服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的網(wǎng)絡(luò)往返，繞過(guò)占用很多資源的計(jì)算，并節(jié)省服務(wù)器資源，同時(shí)改善響應(yīng)時(shí)間和等待時(shí)間。

　　ASP.NET的緩存服務(wù)是一種提高服務(wù)器性能、降低服務(wù)器資源浪費(fèi)的有效方法。對(duì)于安全性要求高的應(yīng)用程序，采用在WEB服務(wù)器上維護(hù)緩存數(shù)據(jù)的方式可以有效地提高頁(yè)面性能。ASP.NET的緩存對(duì)各個(gè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)是私有的，是存儲(chǔ)各種對(duì)象的存儲(chǔ)器，緩存的生存周期取決于應(yīng)用的生存周期，當(dāng)應(yīng)用重新啟動(dòng)時(shí)，緩存實(shí)際上已重建。

　　Cache實(shí)現(xiàn)了最近最少使用(least-recently-used)替換算法，允許ASP.NET強(qiáng)制Cache清除操作——如果可用內(nèi)存下降到低水平——則自動(dòng)從Cache中刪除不使用的項(xiàng)目。另外Cache支持依賴性到期特性，它能強(qiáng)制包括時(shí)間、鍵值、文件失效。其體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　用ASP.NET內(nèi)置的多級(jí)緩存功能，緩存訪問(wèn)過(guò)的ASP.NET頁(yè)面，從而降低Web服務(wù)器的負(fù)載，并通過(guò)更高效地提供被緩存的文件而改善WEB系統(tǒng)的性能。ASP.NET提供了幾個(gè)級(jí)別的緩存。首先，當(dāng)一個(gè)ASPX程序第一次被調(diào)用的時(shí)候會(huì)被編譯，編譯成功之后，生成的代碼會(huì)自動(dòng)緩存，所以重復(fù)運(yùn)行ASP.NET程序的效率會(huì)有很大的提高。除此之外，ASP.NET還提供輸出緩存(也叫頁(yè)面緩存)、數(shù)據(jù)緩存(也叫應(yīng)用程序緩存)和碎片緩存(也叫部分頁(yè)面緩存)。

　　緩存提供一個(gè)簡(jiǎn)單的字典接口，以便于對(duì)象放置到緩存中并在以后使用。最簡(jiǎn)單的情況下，放置一個(gè)對(duì)象到緩存中，就如同對(duì)字典增加一個(gè)條目。在緩存策略上采用“文件和鍵值依賴”策略。從外部文件或者是其他緩存鍵值是否改變來(lái)決定本身鍵值是否有效。如果依賴發(fā)生改變，緩存對(duì)象將變得不可使用并從緩存中移動(dòng)出來(lái)，從而更新緩沖。代碼如下：

　　3.2.2 避免服務(wù)器和客戶端的交互

　　HTTP是用于WWW客戶機(jī)和服務(wù)器之間進(jìn)行信息傳輸?shù)膮f(xié)議，它是一種請(qǐng)求響應(yīng)類型的協(xié)議：客戶機(jī)向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，服務(wù)器收到請(qǐng)求后進(jìn)行處理，對(duì)這個(gè)請(qǐng)求作出回答。Web瀏覽器包含了許多的HTTP請(qǐng)求，每一個(gè)請(qǐng)求對(duì)應(yīng)一個(gè)小型文件，HTTP對(duì)每一個(gè)HTTP請(qǐng)求需要建立1個(gè)獨(dú)立的TCP連接。

　　因此，客戶端的每次請(qǐng)求將會(huì)引起客戶端和服務(wù)器間的一次通信，頻繁的操作勢(shì)必對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間造成嚴(yán)重的影響。為避免不必要的TCP連接建立，通常只需在向服務(wù)器查詢或更新數(shù)據(jù)時(shí)才觸發(fā)客戶端與服務(wù)器之間的信息交互。能在客戶端執(zhí)行的數(shù)據(jù)操作應(yīng)盡可能的用客戶端腳本(如Javascript)實(shí)現(xiàn)。例如，對(duì)用戶輸入數(shù)據(jù)的校驗(yàn)，應(yīng)該盡量在客戶端進(jìn)行校驗(yàn)，再將數(shù)據(jù)提交給服務(wù)器。

　　3.2.3 利用DTO減少遠(yuǎn)程調(diào)用次數(shù)

　　在分布式架構(gòu)中，相關(guān)層在物理部署上實(shí)現(xiàn)分離，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或跨進(jìn)程調(diào)用遠(yuǎn)程對(duì)象或服務(wù)。在這種分布式架構(gòu)中，必須先找到遠(yuǎn)程對(duì)象位置，而且建立與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的連接，然后才能將數(shù)據(jù)串行化為字節(jié)流，然后可能進(jìn)行加密，最后才能將其傳輸?shù)竭h(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。遠(yuǎn)程調(diào)用需要跨越網(wǎng)絡(luò)或進(jìn)程，因此會(huì)比較慢。

　　避免遠(yuǎn)程調(diào)用中固有的滯后時(shí)間問(wèn)題的最佳方法是進(jìn)行更少的調(diào)用，并讓每個(gè)調(diào)用傳遞更多的數(shù)據(jù)，這可以通過(guò)定義有效的數(shù)據(jù)傳輸對(duì)象(Data Transfer Object，DTO)來(lái)實(shí)現(xiàn)層與層之間的數(shù)據(jù)傳輸。

　　創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸對(duì)象(DTO)，用該對(duì)象包含遠(yuǎn)程調(diào)用所需要的所有數(shù)據(jù)。修改遠(yuǎn)程方法簽名，以便將DTO作為單個(gè)參數(shù)接受，并將單個(gè)DTO參數(shù)返回給客戶端。在調(diào)用方應(yīng)用程序收到DTO并將其作為本地對(duì)象存儲(chǔ)之后，應(yīng)用程序可以分別對(duì)DTO發(fā)出一系列單獨(dú)的過(guò)程調(diào)用，而不會(huì)引發(fā)遠(yuǎn)程調(diào)用開(kāi)銷。如圖4所示。

　　在圖4中，DTO允許遠(yuǎn)程對(duì)象在單個(gè)遠(yuǎn)程調(diào)用中將整個(gè)客戶名稱返回給客戶端，這就將調(diào)用次數(shù)從3次減為1次?？蛻舳诉M(jìn)行單個(gè)調(diào)用，然后在本地與DTO交互，而不用進(jìn)行多次遠(yuǎn)程訪問(wèn)服務(wù)器。通過(guò)使用DTO，在單一遠(yuǎn)程調(diào)用中傳輸更多的數(shù)據(jù)信息，減少遠(yuǎn)程調(diào)用的次數(shù)，提高分布式調(diào)用的性能。

　　4 測(cè)試結(jié)果及分析

　　以上方案已在開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中得到實(shí)際的應(yīng)用，并取得了良好的效果。為了測(cè)試以上方案的有效性，這里選取系統(tǒng)中有代表的頁(yè)面，利用VS.NET中的ACT(ApplicationCenter Test)工具進(jìn)行壓力測(cè)試。在不考慮網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的情況下，分別測(cè)試原始頁(yè)面和改進(jìn)后的頁(yè)面，得到表1詳細(xì)的測(cè)試結(jié)果：

　　從表1中可以看出，采用上述方案生成的頁(yè)面無(wú)論是在每秒平均請(qǐng)求數(shù)還是平均響應(yīng)時(shí)間上，都有數(shù)量級(jí)的提高，極大地提高了系統(tǒng)的性能，縮短了Web頁(yè)面的響應(yīng)時(shí)間，從而縮短用戶感知延遲時(shí)間，提高用戶的滿意度。

　　5 結(jié) 語(yǔ)

　　在B／S結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)中，響應(yīng)時(shí)間是一個(gè)很重要的指標(biāo)。本文針對(duì)Web應(yīng)用程序的特點(diǎn)，從軟件處理數(shù)據(jù)的角度出發(fā)，從優(yōu)化數(shù)據(jù)訪問(wèn)以及Web數(shù)據(jù)顯示2方面提出了縮短Web響應(yīng)時(shí)間方案，并利用ACT測(cè)試工具對(duì)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行壓力測(cè)試，發(fā)現(xiàn)此方案的可行性。除此之外，還可以通過(guò)優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，合理配置應(yīng)用服務(wù)器所提供的性能優(yōu)化選擇，合理配置編譯器選項(xiàng)等方法對(duì)提高Web應(yīng)用的總體性能。