利用“字体分块”提升网页性能

wordbaby2025-04-09 11:17

什么是字体分块？

字体分块（Font Chunking / Subsetting by Range）是一种针对网页字体（Web Font）的性能优化技术。它的核心思想是将一个庞大的完整字体文件，根据字符的 Unicode 范围或其他标准（如使用频率、语言等），预先分割成多个较小的字体片段（Chunks）。然后，利用 CSS 的 @font-face 规则和 unicode-range 描述符，让浏览器只下载当前页面实际需要渲染的字符所在的那个（或那些）字体片段，而不是一次性下载整个庞大的字体文件。

这种技术对于包含大量字形（Glyphs）的字体尤其有效，例如中文字体（GBK、GB2312、GB18030 覆盖数千甚至数万汉字）、日文、韩文等 CJK 字体，以及一些包含多种语言符号的大型西文字体。

为什么需要字体分块？

  1. 性能问题： 完整的中文字体文件通常体积巨大，动辄几 MB 甚至几十 MB。在网页加载时，如果需要等待整个字体文件下载完成才能正确渲染文本，会导致页面加载速度变慢，甚至出现字体闪烁（FOIT/FOUT）或长时间白屏，严重影响用户体验。
  2. 带宽浪费： 一个页面通常只会用到字体库中很少一部分字符。下载整个字体文件意味着用户下载了大量根本用不到的字形数据，造成了不必要的带宽消耗，对移动端用户尤其不友好。

字体分块通过按需加载，有效解决了以上两个问题。

字体分块的具体机制

字体分块的实现主要依赖以下几个步骤和技术：

  1. 字体分析 (Font Analysis)：

    • 确定如何划分字体，最常用的是基于 Unicode 字符范围。
    • 例子：基本拉丁、常用标点、CJK 符号、常用汉字（可分多级）、生僻字等。
    • 自动化工具（如 font-spider）可分析项目找出实际使用字符生成精确子集，但字体分块更侧重预先按 范围 划分以应对动态内容。

  2. 字体子集生成 (Subset Generation)：

    • 使用字体工具（如 pyftsubset）根据定义的范围，从原始字体生成多个小的字体文件（推荐 WOFF2 格式）。
    • 每个小文件只包含其负责范围的字形。

  3. CSS @font-face 配置：

    • 为同一个 font-family 定义多个 @font-face 规则。
    • 每个规则指向一个分块字体文件 (src)。
    • 关键： 每个规则使用 unicode-range 描述符声明该字体文件负责的 Unicode 范围。

  4. 浏览器按需加载 (Browser On-Demand Loading)：

    • 核心机制澄清： 浏览器并不会 在解析 CSS 时就立刻下载所有 @font-face 中定义的字体块 URL。unicode-range 的关键作用在于告知浏览器每个字体块负责哪些字符范围。
    • 真正的下载发生在页面渲染阶段：
      • 当浏览器渲染页面，遇到需要使用该 font-family 的文本时，它会检查文本中的每一个字符的 Unicode 值。
      • 浏览器查找所有为该 font-family 定义的 @font-face 规则，看哪个规则的 unicode-range 覆盖了当前字符的 Unicode 值。
      • 关键点： 如果找到了匹配的 @font-face 规则，并且其 src 指向的字体块文件尚未被下载 ，浏览器此时才会发起网络请求去下载那个特定的字体块。
      • 一旦下载完成，浏览器就使用该字体块中的字形来渲染对应的字符。
      • 如果一个字符的范围对应的字体块已经被下载（可能因为页面上之前的某个字符触发了下载），浏览器会直接使用缓存，不会重复下载。
      • 如果页面需要多个范围的字符（如英文和中文），浏览器会根据需要分别触发下载对应的多个字体块。

完整示例

假设我们有一个名为 MyCustomFont.ttf 的中文字体，体积很大 (15MB)。我们的网站主要内容是中文，但也包含少量英文和数字。我们希望通过字体分块来优化加载。

第 1 步：分析与定义分块策略

我们决定按以下范围划分字体块：

  1. 基础拉丁与数字 (Basic Latin & Digits): U+0020-U+007E (空格、标点、0-9、A-Z、a-z)
  2. 常用中文标点 (Common CJK Punctuation): U+3000-U+303F (如：，。？！；：)
  3. 一级常用汉字 (Common Hanzi - Set 1): U+4E00-U+62FF (假设这是我们根据分析确定的最高频使用的汉字范围)
  4. 二级常用汉字 (Common Hanzi - Set 2): U+6300-U+7FFF
  5. 其他常用汉字 (Other Common Hanzi): U+8000-U+9FA5
  6. (可选) 其他字符块...

第 2 步：生成字体子集文件

使用 pyftsubset 工具（需要安装 fonttools：pip install fonttools）：

bash 复制代码 
# 原始字体文件
SOURCE_FONT="MyCustomFont.ttf"

# 输出目录
OUTPUT_DIR="font-chunks"
mkdir -p $OUTPUT_DIR

# 生成 WOFF2 格式的字体块
pyftsubset $SOURCE_FONT --output-file="$OUTPUT_DIR/myfont-latin.woff2" --unicodes="U+0020-007E" --flavor=woff2 --with-zopfli
pyftsubset $SOURCE_FONT --output-file="$OUTPUT_DIR/myfont-cjk-punct.woff2" --unicodes="U+3000-303F" --flavor=woff2 --with-zopfli
pyftsubset $SOURCE_FONT --output-file="$OUTPUT_DIR/myfont-hanzi-1.woff2" --unicodes="U+4E00-62FF" --flavor=woff2 --with-zopfli
pyftsubset $SOURCE_FONT --output-file="$OUTPUT_DIR/myfont-hanzi-2.woff2" --unicodes="U+6300-7FFF" --flavor=woff2 --with-zopfli
pyftsubset $SOURCE_FONT --output-file="$OUTPUT_DIR/myfont-hanzi-3.woff2" --unicodes="U+8000-9FA5" --flavor=woff2 --with-zopfli

# ... 可以根据需要生成更多块 ...

执行后，font-chunks 目录下会生成多个 .woff2 文件，每个文件都比原始字体小得多。

第 3 步：在 CSS 中配置 @font-face

在你的 CSS 文件 (e.g., style.css) 中添加如下规则：

css 复制代码 
/* 定义基础拉丁字母和数字块 */
@font-face {
  font-family: 'MyCustomFont';
  src: url('font-chunks/myfont-latin.woff2') format('woff2');
  font-weight: normal;
  font-style: normal;
  font-display: swap; /* 推荐设置，改善加载体验 */
  unicode-range: U+0020-007E; /* 关键：指定此块负责的 Unicode 范围 */
}

/* 定义中文标点块 */
@font-face {
  font-family: 'MyCustomFont';
  src: url('font-chunks/myfont-cjk-punct.woff2') format('woff2');
  font-weight: normal;
  font-style: normal;
  font-display: swap;
  unicode-range: U+3000-303F; /* 关键：指定此块负责的 Unicode 范围 */
}

/* 定义一级常用汉字块 */
@font-face {
  font-family: 'MyCustomFont';
  src: url('font-chunks/myfont-hanzi-1.woff2') format('woff2');
  font-weight: normal;
  font-style: normal;
  font-display: swap;
  unicode-range: U+4E00-62FF; /* 关键：指定此块负责的 Unicode 范围 */
}

/* 定义二级常用汉字块 */
@font-face {
  font-family: 'MyCustomFont';
  src: url('font-chunks/myfont-hanzi-2.woff2') format('woff2');
  font-weight: normal;
  font-style: normal;
  font-display: swap;
  unicode-range: U+6300-7FFF; /* 关键：指定此块负责的 Unicode 范围 */
}

/* 定义其他常用汉字块 */
@font-face {
  font-family: 'MyCustomFont';
  src: url('font-chunks/myfont-hanzi-3.woff2') format('woff2');
  font-weight: normal;
  font-style: normal;
  font-display: swap;
  unicode-range: U+8000-9FA5; /* 关键：指定此块负责的 Unicode 范围 */
}

/* ... 可以根据需要定义更多块 ... */

/* 在需要的地方使用字体 */
body {
  font-family: 'MyCustomFont', sans-serif;
}

h1 {
  font-family: 'MyCustomFont', serif;
}

第 4 步：HTML 页面

html 复制代码 
<!DOCTYPE html>
<html lang="zh-CN">
<head>
  <meta charset="UTF-8">
  <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
  <title>字体分块示例</title>
  <link rel="stylesheet" href="style.css">
</head>
<body>
  <h1>你好，世界！(Hello World!)</h1>
  <p>
    这是一个字体分块的简单示例。
    This is a simple example of font chunking.
    数字 12345。
    常用标点：，。？！
  </p>
  <p>
    这里包含一些汉字，比如"体验" (U+4F53 U+9A8C) 和 "范围" (U+8303 U+56F4)。
  </p>
</body>
</html>

浏览器行为解释（结合按需加载机制）：

  1. 浏览器解析 CSS，记录 下 MyCustomFont 的所有 @font-face 规则及其 unicode-range。此时不下载任何字体文件。
  2. 渲染 <h1> 和 <p> 中的文本 "你好，世界！(Hello World!) 这是一个..."。
  3. 遇到 'H' (U+0048)，匹配 unicode-range: U+0020-007E;。检查 myfont-latin.woff2 是否已下载？否 -> 发起下载 myfont-latin.woff2。
  4. 遇到 'e', 'l', 'l', 'o', ' ', 'W', 'o', 'r', 'l', 'd', '!', '(', ')' 等，都在 U+0020-U+007E 范围，使用已发起下载或已完成下载的 myfont-latin.woff2，不重复触发下载。
  5. 遇到 '你' (U+4F60)，匹配 unicode-range: U+4E00-62FF;。检查 myfont-hanzi-1.woff2 是否已下载？否 -> 发起下载 myfont-hanzi-1.woff2。
  6. 遇到 '好' (U+597D), '这' (U+8FD9), '是' (U+662F), '个' (U+4E2A), '字' (U+5B57), '体' (U+4F53), '分' (U+5206), '块' (U+5757), '简' (U+7B80), '单' (U+5355), '示' (U+793A), '例' (U+4F8B), '体' (U+4F53), '验' (U+9A8C), '范' (U+8303), '围' (U+56F4) 等汉字：
    • 落在 U+4E00-62FF 的（如 '你', '好', '个', '字', '体', '分', '块', '例'）：使用已发起或已完成的 myfont-hanzi-1.woff2。
    • 落在 U+6300-7FFF 的（如 '是', '简', '示'）：检查 myfont-hanzi-2.woff2 是否下载？否 -> 发起下载 myfont-hanzi-2.woff2。
    • 落在 U+8000-9FA5 的（如 '这', '验', '范', '围'）：检查 myfont-hanzi-3.woff2 是否下载？否 -> 发起下载 myfont-hanzi-3.woff2。
  7. 遇到 '，' (U+FF0C), '。' (U+3002), '？' (U+FF1F), '！' (U+FF01) 等标点。假设它们未包含在基础拉丁块中（实际情况可能复杂，取决于字体本身），并且我们定义了 myfont-cjk-punct.woff2 包含 U+3000-U+303F 等范围。
    • 遇到 '。' (U+3002)，匹配 unicode-range: U+3000-303F;。检查 myfont-cjk-punct.woff2 是否下载？否 -> 发起下载 myfont-cjk-punct.woff2。
    • 其他标点如果也在这个范围，则复用。
  8. 结果： 浏览器仅根据页面实际出现的字符 ，触发了对应 unicode-range 的字体块下载请求（在这个例子中是 myfont-latin.woff2, myfont-hanzi-1.woff2, myfont-hanzi-2.woff2, myfont-hanzi-3.woff2, myfont-cjk-punct.woff2）。

因此，浏览器无需下载 那个庞大的原始 15MB MyCustomFont.ttf 文件（因为它并未在 @font-face 的 src 中直接引用）。更重要的是，只有当页面上实际包含了某个字体块 unicode-range 所覆盖的字符时，该字体块才会被下载 。如果一个页面恰好需要所有分块范围内的字符，那么理论上所有分块都会被下载，但这仍然远优于一次性下载整个未分块的巨大字体。对于那些其 unicode-range 内的字符完全没有在当前页面使用 的字体块，浏览器是不会去下载它们的，从而实现了有效的按需加载和带宽节省。

优点

  • 显著减少首屏加载时间： 利用浏览器 unicode-range 的特性实现按需（懒）加载。
  • 节省用户带宽： 避免下载未使用的字形数据。
  • 改善用户体验： 更快地显示文本，减少 FOUT/FOIT。
  • 灵活性： 可以根据需求设计分块策略。

注意事项与缺点

  • 分块策略的复杂性： 合理划分 unicode-range 需要权衡，过细可能增加请求数，过粗则优化效果打折。
  • 工具依赖： 需要字体工具生成子集。
  • 维护成本： 字体更新或策略调整需重新生成。
  • 覆盖不全风险： unicode-range 定义若遗漏字符，会导致回退。
  • 动态内容： 对无法预知字符的内容，可能需更保守分块或结合其他技术。

总结来说，字体分块是一种利用 CSS unicode-range 让浏览器智能地按需下载字体片段的高效 Web 字体优化技术，特别适合大型字体库，能大幅提升性能。关键在于理解浏览器并非预先加载所有块，而是根据页面渲染需求实时、精确地加载所需部分。

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