如何构建可控,可靠,可扩展的 PWA 应用

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JerryC
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    概述

    PWA （Progressive Web App）指的是使用指定技术和标准模式来开发的 Web 应用，让 Web 应用具有原生应用的特性和体验。比如我们觉得本地应用使用便捷，响应速度更加快等。

    PWA 由 Google 于 2016 年提出，于 2017 年正式技术落地，并在 2018 年迎来重大突破，全球顶级的浏览器厂商，Google、Microsoft、Apple 已经全数宣布支持 PWA 技术。

    PWA 的关键技术有两个：

    1. Manifest：浏览器允许你提供一个清单文件，从而实现 A2HS
    2. ServiceWorker：通过对网络请求的代理，从而实现资源缓存、站点加速、离线应用等场景。

    这两个是目前绝大部分开发者构建 PWA 应用所使用的最多的技术。

    其次还有诸如：消息推送、WebStream、Web蓝牙、Web分享、硬件访问等API。出于浏览器厂商的支持不一，普及度还不高。

    不管怎么样，使用 ServiceWorker 来优化用户体验，已经成为Web前端优化的主流技术。

    工具与框架

    2018 年之前，主流的工具是：

    1. google/sw-toolbox: 提供了一套工具，用于方便的构建 ServiceWorker。
    2. google/sw-precache: 提供在构建阶段，注入资源清单到 ServiceWorker 中，从而实现预缓存功能。
    3. baidu/Lavas: 百度开发的基于 Vue 的 PWA 集成解决方案。

    后来由于 Google 开发了更加优秀的工具集 Workbox，sw-toolbox 和 sw-precache 得以退出舞台。

    而 Lavas 由于团队解散，主要作者离职，已处于停止维护状态。

    痛点

    Workbox 提供了一套工具集合，用以帮助我们管理 ServiceWorker ，它对 CacheStorage 的封装，也得以让我们更轻松的去管理资源。

    但是在构建实际的 PWA 应用的时候，我们还需要关心很多问题：

    1. 如何组织工程和代码？
    2. 如何进行单元测试？
    3. 如何解决 MPA (Multiple Page Application) 应用间的 ServiceWorker 作用域冲突问题？
    4. 如何远程控制我们的 ServiceWorker？
    5. 最优的资源缓存方案？
    6. 如何监控我们的 ServiceWorker，收集数据？

    由于 Workbox 的定位是 「Library」，而我们需要一个 「Framework」 去为这些通用问题提供统一的解决方案。

    并且， 我们希望它是渐进式（Progressive）的，就犹如 PWA 所提倡的那样。

    代码解耦

    是什么问题？

    当我们的 ServiceWorker 程序代码越来越多的时候，会造成代码臃肿，管理混乱，复用困难。
    同时一些常见的实现，如：远程控制、进程通讯、数据上报等，希望能实现按需插拔式的复用，这样才能达到「渐进式」的目的。

    我们都知道，ServiceWorker 在运行时提供了一系列事件，常用的有：

    self.addEventListener('install', event => { });
self.addEventListener('activate', event => { });
self.addEventListener("fetch", event => { });
self.addEventListener('message', event => { });

    当我们有多个功能实现都要监听相同的事件，就会导致同个文件的代码越来越臃肿：

    self.addEventListener('install', event => {
  // 远程控制模块 - 配置初始化
  ...
  // 资源预缓存模块 - 缓存资源
  ...
  // 数据上报模块 - 收集事件
  ...
});
  
self.addEventListener('activate', event => {
  // 远程控制模块 - 刷新配置
  ...
  // 数据上报模块 - 收集事件
  ...
});
  
self.addEventListener("fetch", event => {
  // 远程控制模块 - 心跳检查
  ...
  // 资源缓存模块 - 缓存匹配
  ...
  // 数据上报模块 - 收集事件
  ...
});

self.addEventListener('message', event => {
  // 数据上报模块 - 收集事件
  ...
});

    你可能会说可以进行「模块化」：

    import remoteController from './remoete-controller.ts';  // 远程控制模块
import assetsCache from './assets-cache.ts';  // 资源缓存模块
import collector from './collector.ts';  // 数据收集模块
import precache from './pre-cache.ts';  // 资源预缓存模块

self.addEventListener('install', event => {
  // 远程控制模块 - 配置初始化
  remoteController.init(...);
  // 资源预缓存模块 - 缓存资源
  assetsCache.store(...);
  // 数据上报模块 - 收集事件
  collector.log(...);
});
  
self.addEventListener('activate', event => {
  // 远程控制模块 - 刷新配置
  remoteController.refresh(..);
  // 数据上报模块 - 收集事件
  collector.log(...);
});
  
self.addEventListener("fetch", event => {
  // 远程控制模块 - 心跳检查
  remoteController.heartbeat(...);
  // 资源缓存模块 - 缓存匹配
  assetsCache.match(...);
  // 数据上报模块 - 收集事件
  collector.log(...);
});

self.addEventListener('message', event => {
  // 数据上报模块 - 收集事件
  collector.log(...);
});

    模块化能减少主文件的代码量，同时也一定程度上对功能进行了解耦，但是这种方式还存在一些问题：

    1. 复用困难：当要使用一个模块的功能时，要在多个事件中去正确的调用模块的接口。同样，要去掉一个模块事，也要多个事件中去修改。
    2. 使用成本高：模块暴露各种接口，使用者必须了解透彻模块的运转方式，以及接口的使用，才能很好的使用。
    3. 解耦有限：如果模块更多，甚至要解决同域名下多个前端应用的命名空间冲突问题，就会显得捉襟见肘。

    要达到我们目的：「渐进式」，我们需要对代码的组织再优化一下。

    插件化实现

    我们可以把 ServiceWorker 的一系列事件的控制权交出去，各模块通过插件的方式来使用这些事件。

    我们知道 Koa.js 著名的洋葱模型：

    koa洋葱模型

    洋葱模型是「插件化」的很好的思想，但是它是 「一维」 的，Koa 完成一次网络请求的应答，各个中间件只需要监听一个事件。

    而在 ServiceWorker 中，除了上面提及到的常用四个事件，他还有更多事件，如：SyncEvent, NotificationEvent。

    所以，我们还要多弄几个「洋葱」去满足更多的事件。

    同时由于 PWA 应用的代码一般会运行在两个线程：主线程、ServiceWorker 线程。

    最后，我们去封装原生的事件，去提供插件化支持，从而有了：「多维洋葱插件系统」：

    GlacierJS 多维洋葱插件系统

    对原生事件和生命周期进行封装之后，我们为每一个插件提供更优雅的生命周期钩子函数：

    GlacierJS 生命周期图示

    我们基于 GlacierJS 的话，可以很容易做到模块的插件化。

    在 ServiceWorker 线程的主文件中注册插件：

    import { GlacierSW } from '@glacierjs/sw';
import RemoteController from './remoete-controller.ts';  // 远程控制模块
import AssetsCache from './assets-cache.ts';  // 资源缓存模块
import Collector from './collector.ts';  // 数据收集模块
import Precache from './pre-cache.ts';  // 资源预缓存模块
import MyPluginSW from './my-plugin.ts'

const glacier = new GlacierSW();

glacier.use(new Log(...));
glacier.use(new RemoteController(...));
glacier.use(new AssetsCache(...));
glacier.use(new Collector(...));
glacier.use(new Precache(...));

glacier.listen();

    而在插件中，我们可以通过监听事件去收归一个独立模块的逻辑：

    import { ServiceWorkerPlugin } from '@glacierjs/sw';
import type { FetchContext, UseContext  } from '@glacierjs/sw';

export class MyPluginSW implements ServiceWorkerPlugin {
    constructor() {...}
    public async onUse(context: UseContext) {...}
    public async onInstall(event) {...}
    public async onActivate() {...}
    public async onFetch(context: FetchContext) {...}
    public async onMessage(event) {...}
    public async onUninstall() {...}
}

    作用域冲突

    我们都知道关于 ServiceWorker 的作用域有两个关键特性：

    1. 默认的作用域是注册时候的 Path。
    2. 同个路径下同时间只能有一个 ServiceWorker 得到控制权。

    作用域缩小与扩大

    关于第一个特性，例如注册 Service Worker 文件为 /a/b/sw.js，则 scope 默认为 /a/b/：

    if (navigator.serviceWorker) {
    navigator.serviceWorker.register('/a/b/sw.js').then(function (reg) {
        console.log(reg.scope);
        // scope => https://yourhost/a/b/
    });
}

    当然我们可以在注册的的时候指定 scope 去向下缩小作用域，例如：

    if (navigator.serviceWorker) {
    navigator.serviceWorker.register('/a/b/sw.js', {scope: '/a/b/c/'})
        .then(function (reg) {
            console.log(reg.scope);
            // scope => https://yourhost/a/b/c/
        });
}

    也可以通过服务器对 ServiceWorker 文件的响应设置 Service-Worker-Allowed 头部，去扩大作用域。

    例如 Google Docs 在作用域 https://docs.google.com/document/u/0/ 注册了一个来自于 https://docs.google.com/document/offline/serviceworker.js 的 ServiceWorker

    img

    MPA下的 ServiceWorker 治理

    现代 Web App 项目主要有两种架构形式存在： SPA(Single Page Application) 和 MPA(Multiple Page Application)

    MPA 这种架构的模式在现如今的大型 Web App 非常常见，这种 Web App 相比较于 SPA 能够承受更重的业务体量，并且利于大型 Web App 的后期维护和扩展，它往往会有多个团队去维护。

    假设我们有一个 MPA 的站点：

    .
|-- app1
|   |-- app1-service-worker.js
|   `-- index.html
|-- app2
|   `-- index.html
|-- index.html
`-- root-service-worker.js

    app1 和 app2 分别由不同的团队维护。

    如果我们在根目录 '/' 注册了 root-service-worker.js，去完成一些通用的功能，例如：「日志收集」、「静态资源缓存」等。

    然后 app1 团队利用 ServiceWorker 的能力开发了一些特定的功能需要，例如 app1 的「离线化功能」。

    他们在 app1/index.html 目录注册了 app1-service-worker.js。

    这时候，访问 app1/* 下的所有页面，ServiceWorker 控制权会交给 app1-service-worker.js，也就是只有app1的「离线化功能」在工作，而原来的「日志收集」、「静态缓存」等功能会失效。

    显然这种情况是我们不希望看到的，并且在实际的开发中发生的概率会很大。

    解决这个问题有两种方案：

    1. 封装「日志收集」、「静态资源缓存」功能，app1-service-worker.js引入并使用这些功能。
    2. 把「离线化功能」整合到 root-service-worker.js，只允许注册该 ServiceWorker。

    关于方案一，封装通用功能这是正确的，但是主域下的功能可能完全没办法一一拆解，并且后续主域的 ServiceWorker 更新了新功能，子域下的 ServiceWorker 还需要主动去更新和升级。

    关于方案二，显然可以解决方案一的问题，但是其他应用，例如 app2 可能不需要「离线化功能」。

    基于此，我们引入方案三：功能整合到主域，支持功能的组合按照作用域隔离。

    基于 GlacierJS 的话代码上可能会是这样的：

    const mainPlugins = [
  new Collector(); // 日志收集功能
  new AssetsCache(); // 静态资源缓存功能
];

glacier.use('/', mainPlugins)；
glacier.use('/app1', [
  ...mainPlugins,
  new Offiline(),  // 离线化功能
])；

    资源缓存

    ServiceWorker 一个很核心的能力就是能结合 CacheAPI 进行灵活的缓存资源，从而达到优化站点的加载速度、弱网访问、离线应用等。

    image-20220414092525515

    对于静态资源有五种常用的缓存策略：

    1. stale-while-revalidate
      该模式允许您使用缓存（如果可用）尽快响应请求，如果没有缓存则回退到网络请求，然后使用网络请求来更新缓存，它是一种比较安全的缓存策略。
    2. cache-first
      离线 Web 应用程序将严重依赖缓存，但对于非关键且可以逐渐缓存的资源，「缓存优先」是最佳选择。
      如果缓存中有响应，则将使用缓存的响应来满足请求，并且根本不会使用网络。
      如果没有缓存响应，则请求将由网络请求完成，然后响应会被缓存，以便下次直接从缓存中提供下一个请求。
    3. network-first
      对于频繁更新的请求，「网络优先」策略是理想的解决方案。
      默认情况下，它会尝试从网络获取最新响应。如果请求成功，它会将响应放入缓存中。如果网络未能返回响应，则将使用缓存的响应。
    4. network-only
      如果您需要从网络满足特定请求，network-only 模式会将资源请求进行透传到网络。
    5. cache-only
      该策略确保从缓存中获取响应。这种场景不太常见，它一般匹配着「预缓存」策略会比较有用。

    那这些策略中，我们应该使用哪种呢？答案是根据资源的种类具体选择。

    例如一些资源如果只是在 Web 应用发布的时候才会更新，我们就可以使用 cache-first 策略，例如一些 JS、样式、图片等。

    而 index.html 作为页面的加载的主入口，更加适宜使用 stale-while-revalidate 策略。

    我们以 GlacierJS 的缓存插件（@glacierjs/plugin-assets-cache）为例：

    // in service-worker.js
importScripts("//cdn.jsdelivr.net/npm/@glacierjs/core/dist/index.min.js");
importScripts('//cdn.jsdelivr.net/npm/@glacierjs/sw/dist/index.min.js');
importScripts('//cdn.jsdelivr.net/npm/@glacierjs/plugin-assets-cache/dist/index.min.js');

const { GlacierSW } = self['@glacierjs/sw'];
const { AssetsCacheSW, Strategy } = self['@glacierjs/plugin-assets-cache'];

const glacierSW = new GlacierSW();

glacierSW.use(new AssetsCacheSW({
    routes: [{
        // capture as string: store index.html with stale-while-revalidate strategy.
        capture: 'https://mysite.com/index.html',
        strategy: Strategy.STALE_WHILE_REVALIDATE,
    }, {
        // capture as RegExp: store all images with cache-first strategy
        capture: /\.(png|jpg)$/,
        strategy: Strategy.CACHE_FIRST
    }, {
        // capture as function: store all stylesheet with cache-first strategy
        capture: ({ request }) => request.destination === 'style',
        strategy: Strategy.CACHE_FIRST
    }],
}));

    远程控制

    基于 ServiceWorker 的原理，一旦在浏览器安装上了，如果遇到紧急线上问题，唯有发布新的 ServiceWorker 才能解决问题。但是 ServiceWorker 的安装是有时延的，再加上有些团队从修改代码到发布的流程，这个反射弧就很长了。我们有什么办法能缩短对于线上问题的反射弧呢？

    我们可以在远程存储一个配置，针对可预见的场景，进行「远程控制」：

    remote-controller.drawio

    那么我们怎么去获取配置呢？

    方案一，如果我们在主线程中获取配置：

    1. 需要用户主动刷新页面才会生效。
    2. 做不到轻量的功能关闭，什么意思呢，我们会有开关的场景，主线程只能通过卸载或者清理缓存去实现「关闭」，这个太重了。

    方案二，如果我们在 ServiceWorker 线程去获取配置：

    1. 可以实现轻量功能关闭，透传请求就行了。
    2. 但是如果遇到要干净的清理用户环境的需要，去卸载 ServiceWorker 的时候，就会导致主进程每次注册，到了 ServiceWorker 就卸载，造成频繁安装卸载。

    image-20220417012859191

    所以我们的 最后方案 是 「基于双线程的实时配置获取」。

    主线程也要获取配置，然后配置前面要加上防抖保护，防止 onFetch 事件短时间并发的问题。

    image-20220417012934418

    代码上，我们使用 Glacier 的插件 @glacierjs/plugin-remote-controller 可以轻松实现远程控制：

    // in ./remote-controller-sw.ts
import { RemoteControllerSW } from '@glacierjs/plugin-remote-controller';
import { GlacierSW } from '@glacierjs/sw';
import { options } from './options';

const glacierSW = new GlacierSW();
glacierSW.use(new RemoteControllerSW({
  fetchConfig: () => getMyRemoteConfig();
}));

// 其中 getMyRemoteConfig 用于获取你存在远端的配置，返回的格式规定如下：
const getMyRemoteConfig = async () => {
    const config: RemoteConfig = {
        // 全局关闭，卸载 ServiceWorker
        switch: true,
      
          // 缓存功能开关
          assetsEnable: true,

                // 精细控制特定缓存
        assetsCacheRoutes: [{
            capture: 'https://mysite.com/index.html',
            strategy: Strategy.STALE_WHILE_REVALIDATE,
        }],
    },
}

    数据收集

    ServiceWorker 发布之后，我们需要保持对线上情况的把控。 对于一些必要的统计指标，我们可能需要进行上统计和上报。

    @glacierjs/plugin-collector 内置了五个常见的数据事件：

    1. ServiceWorker 注册：SW_REGISTER
    2. ServiceWorker 安装成功：SW_INSTALLED
    3. ServiceWorker 控制中：SW_CONTROLLED
    4. 命中 onFetch 事件：SW_FETCH
    5. 命中浏览器缓存：CACHE_HIT of CacheFrom.Window
    6. 命中 CacheAPI 缓存：CACHE_HIT of CacheFrom.SW

    基于以上数据的收集，我们就可以得到一些常见的通用指标：

    1. ServiceWorker 安装率 = SW_REGISTER / SW_INSTALLED
    2. ServiceWorker 控制率 = SW_REGISTER / SW_CONTROLLED
    3. ServiceWorker 缓存命中率 = SW_FETCH / CACHE_HIT (of CacheFrom.SW)

    首先我们在 ServiceWorker 线程中注册 plugin-collector：

    import { AssetsCacheSW } from '@glacierjs/plugin-assets-cache';
import { CollectorSW } from '@glacierjs/plugin-collector';
import { GlacierSW } from '@glacierjs/sw';

const glacierSW = new GlacierSW();

// should use plugin-assets-cache first in order to make CollectedDataType.CACHE_HIT work.
glacierSW.use(new AssetsCacheSW({...}));
glacierSW.use(new CollectorSW());

    然后在主线程中注册 plugin-collector，并且监听数据事件，进行数据上报：

    import {
  CollectorWindow,
  CollectedData,
  CollectedDataType,
} from '@glacierjs/plugin-collector';
import { CacheFrom } from '@glacierjs/plugin-assets-cache';
import { GlacierWindow } from '@glacierjs/window';

const glacierWindow = new GlacierWindow('./service-worker.js');

glacierWindow.use(new CollectorWindow({
    send(data: CollectedData) {
      const { type, data } = data;

      switch (type) {
        case CollectedDataType.SW_REGISTER:
          myReporter.event('sw-register-count');
          break;

        case CollectedDataType.SW_INSTALLED:
          myReporter.event('sw-installed-count');
          break;

        case CollectedDataType.SW_CONTROLLED:
          myReporter.event('sw-controlled-count');
          break;

        case CollectedDataType.SW_FETCH:
          myReporter.event('sw-fetch-count');
          break;

        case CollectedDataType.CACHE_HIT:
          // hit service worker cache
          if (data?.from === CacheFrom.SW) {
            myReporter.event(`sw-assets-count:hit-sw-${data?.url}`);
          }

          // hit browser cache or network
          if (data?.from === CacheFrom.Window) {
            myReporter.event(`sw-assets-count:hit-window-${data?.url}`);
          }
          break;
      }
    },
}));

    其中 myReporter.event 是你可能会实现的数据上报库。

    单元测试

    ServiceWorker 测试可以分解为常见的测试组。

    img

    在顶层的是 「集成测试」，在这一层，我们检查整体的行为，例如：测试页面可加载，ServiceWorker注册，离线功能等。集成测试是最慢的，但是也是最接近现实情况的。

    再往下一层的是 「浏览器单元测试」，由于 ServiceWorker 的生命周期，以及一些 API 只有在浏览器环境下才能有，所以我们使用浏览器去进行单元测试，会减少很多环境的问题。

    接着是 「ServiceWorker 单元测试」，这种测试也是在浏览器环境中注册了测试用的 ServiceWorker 为前提进行的单元测试。

    最后一种是 「模拟 ServiceWorker」，这种测试粒度会更加精细，精细到某个类某个方法，只检测入参和返回。这意味着没有了浏览器启动成本，并且最终是一种可预测的方式测试代码的方式。

    但是模拟 ServiceWorker 是一件困难的事情，如果 mock 的 API 表面不正确，则在集成测试或者浏览器单元测试之前问题不会被发现。我们可以使用 service-worker-mock 或者 MSW 在 NodeJS 环境中进行 ServiceWorker 的单元测试。

    由于篇幅有限，后续我另开专题来讲讲 ServiceWorker 单元测试的实践。

    总结

    本文开篇描述了关于 PWA 的基本概念，然后介绍了一些现在社区优秀的工具，以及要去构建一个「可控、可靠、可扩展的 PWA 应用」所面临的的实际的痛点。

    于是在三个「可」给出了一些实践性的建议：

    1. 通过「数据收集」、「远程控制」保证我们对已发布的 PWA 应用的 「可控性」
    2. 通过「单元测试」、「集成测试」去保障我们 PWA 应用的 「可靠性」
    3. 通过「多维洋葱插件模型」支持插件化和 MPA 应用，以及整合多个插件，从而达到 PWA 应用的 「可扩展性」。

    参考

    javascriptpwa
    JerryC
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    Peace of mind, Code of enjoy

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