如何实现高性能的在线-PDF-预览

第 52 篇原创好文～
本文首发于政采云前端团队博客：如何实现高性能的在线 PDF 预览

最近接到产品需求，用户需要在我们的站点上在线查看 PDF 文件，并且查看时，用户可以对 PDF 文件的进行旋转、缩放、跳转到指定页码等操作。

这个太简单了，随便找找就一堆轮子。

目前常见的在线 PDF 查看方案：

使用 iframe、embed、object 标签直接加载

采用此方案，只需要直接将 PDF 的在线地址设置为标签的 src 属性

使用第三方库 PDF.js 加载

这个方案麻烦一点，我们需要在项目中引入 PDF.js 这个库，然后再使用 iframe 来加载指定的 HTML 文件（下文代码中的 viewer.html），并且将需要访问的 PDF 的在线地址作为参数传递进去。大概就像下面一样：

showPdf (selector, options) {const { width, height, fileUrl} = options;
  this.pdfFrame = document.createElement('iframe');
  this.pdfFrame.width = width;
  this.pdfFrame.height = height;
  this.pdfFrame.src = `./assets/web/viewer.html?file=${encodeURIComponent(fileUrl)}`;
  document.getElementById(selector).append(this.pdfFrame);
}

这里可能会遇到跨域的问题，不过不是本文重点，不展开讲，相信这种小事难不倒聪明的你。

于是乎，啪啪啪几行代码迅速搞定给产品演示。然后产品拿了个线上文件来尝试效果。。。

两人对着白屏尴尬的沉默良久，产品终于忍不住了。

“这怎么这么慢？不行，用户肯定不能接受。。。”。

“公司网络不好 … 你这文件太大了 … 你重启一下试试？“

不存在的，作为一个优秀的前端开发者，怎么可以说这种话，当然是想办法解决啦。

重新整理一下产品的需求：

页面上查看服务器上的 pdf 文件
支持页码跳转、旋转、缩放
打开要快

基本上前两条上述方案都能满足，所以我们需要解决的关键问题在于如何让用户快速打开内容，减少等待时间。由于现有方案都是将 pdf 文件内容全部下载完成之后才开始进行渲染，如果文件比较大的时候，用户第一次打开时就可能需要等待很长时间。那么思路有了：我们可不可以不下载全部的文件内容就开始渲染？

因为用户不可能一眼看到所有的 PDF 内容，每次只能看到屏幕显示范围内的几页。所以我们可以将可视范围内的 PDF 页面内容优先下载并展示，可视范围外的我们根据用户浏览的实际位置按需下载和渲染。这样就可以减少第一次打开时用户的等待时间了。（类似与数据分页、图片懒加载的思想，目的是提高首屏性能。）

那么我们可以将一个大的 PDF 文件分成多个小文件，即分片。比如某个 PDF 有 200 页，我们按照 5 页一片，将它切分成 40 片，每次只下载用户看到的那一个分片。然后在用户进行滚动翻页的时候，异步的去下载对应包含对应页的分片。

基本的思路有了，接下来就是想办法实现了。要实现分片加载我们需要做两件事情：

1、服务器对 PDF 文件进行分片

由于这个是服务器做了，所以，交给后端就好了。本文不细讲，大家有兴趣的可以去了解 itextpdf 库，它提供了相关 API 对 PDF 进行切片。

我们需要跟后端约定好 PDF 文件分片之后每一片的数据格式。假如分片的大小为 5（即每次请求 5 页内容），那么可以定义数据格式如下：

{
  "startPage": 1, // 分片的开始页码
  "endPage": 5, // 分片结束页码
  "totalPage": 100, // pdf 总页数
  "url": "http://test.com/asset/fhdf82372837283.pdf" // 分片内容下载地址
}

2、客户端根据用户交互行为获取并渲染指定的分片

显然，获取并渲染是两个操作。为了保证用户操作（滚动）的流畅性，这两个操作我们都异步进行。至此，我们需要解决的关键问题变成两个：

如何下载 PDF 分片
如何渲染 PDF 分片

由于我们无法在已有标签上做修改，所以我们考虑基于 PDF.js 库进行深度定制。那么我们先了解一下 PDF.js 可以为我们提供哪些能力。参考官方文档，下面列举了我们需要用到的几个 API，由于官方文档中内容比较粗，这里贴上了源码中的注释。另附源码地址。

获取远程的 pdf 文档

 /**
  * This is the main entry point for loading a PDF and interacting with it.
  * NOTE: If a URL is used to fetch the PDF data a standard XMLHttpRequest(XHR)
  * is used, which means it must follow the same origin rules that any XHR does
  * e.g. No cross domain requests without CORS.
  *
  * @param {string|TypedArray|DocumentInitParameters|PDFDataRangeTransport} src
  * Can be a url to where a PDF is located, a typed array (Uint8Array)
  * already populated with data or parameter object.
  * @returns {PDFDocumentLoadingTask}
  */
 function getDocument(src) {// 省略实现}

简单的说就是，getDocument 接口可以获取 src 指定的远程 PDF 文件，并返回一个 PDFDocumentLoadingTask 对象。后续所有对 PDF 内容的操作都可以通过改对象实现。

PDFDocumentLoadingTask

 /**
  * The loading task controls the operations required to load a PDF document
  * (such as network requests) and provides a way to listen for completion,
  * after which individual pages can be rendered.
  */
 // eslint-disable-next-line no-shadow
 class PDFDocumentLoadingTask {
   // 省略 n 行实现

    /**
      * Promise for document loading task completion.
      * @type {Promise}
      */
     get promise() {return this._capability.promise;}
 }

PDFDocumentLoadingTask 是一个下载远程 PDF 文件的任务。它提供了一些监听方法，可以监听 PDF 文件的下载状态。通过 promise 可以获取到下载完成的 PDF 对象，它会生成并最终返回一个 PDFDocumentProxy 对象。

PDFDocumentProxy

/**
* Proxy to a PDFDocument in the worker thread. Also, contains commonly used
* properties that can be read synchronously.
*/
class PDFDocumentProxy {
 // 省略 n 行实现

 /**
  * @type {number} Total number of pages the PDF contains.
  */
 get numPages() {return this._pdfInfo.numPages;}

  /**
  * @param {number} pageNumber - The page number to get. The first page is 1.
  * @returns {Promise} A promise that is resolved with a {@link PDFPageProxy}
  *   object.
  */
 getPage(pageNumber) {return this._transport.getPage(pageNumber);
 }
}

PDFDocumentProxy 是 PDF 文档代理类，我们可以通过它的 numPages 获取到文档的页面数量，通过 getPage 方法获取到指定页码的页面 PDFPageProxy 实例。

PDFPageProxy

 /**
  * Proxy to a PDFPage in the worker thread.
  * @alias PDFPageProxy
  */
 class PDFPageProxy {
  // 省略 n 行实现

   /**
    * @param {GetViewportParameters} params - Viewport parameters.
    * @returns {PageViewport} Contains 'width' and 'height' properties
    *   along with transforms required for rendering.
    */
   getViewport({
     scale,
     rotation = this.rotate,
     offsetX = 0,
     offsetY = 0,
     dontFlip = false,
   } = {}) {
     return new PageViewport({
       viewBox: this.view,
       scale,
       rotation,
       offsetX,
       offsetY,
       dontFlip,
     });
   }

   /**
    * Begins the process of rendering a page to the desired context.
    * @param {RenderParameters} params Page render parameters.
    * @returns {RenderTask} An object that contains the promise, which
    *                       is resolved when the page finishes rendering.
    */
   render({
     canvasContext,
     viewport,
     intent = "display",
     enableWebGL = false,
     renderInteractiveForms = false,
     transform = null,
     imageLayer = null,
     canvasFactory = null,
     background = null,
   }) {// 省略方法实现}
 }

PDFPageProxy 我们主要用到它的两个方法。通过 getViewport 可以根据指定的缩放比例（scale）、旋转角度（rotation）获取当前 PDF 页面的实际大小。通过 render 方法可以将 PDF 的内容渲染到指定的 canvas 上下文中。

首先我们使用 PDF.js 提供的接口获取第一个分片的 url，然后再下载该分片的 PDF 文件。

/*
  代码中使用 loadStatus 来记录特定页的内容是否一件下载
*/
const pageLoadStatus = {
  WAIT: 0, // 等待下下载
  LOADED: 1, // 已经下载
}
// 拿到第一个分片
const {startPage, totalPage, url} = await fetchPdfFragment(1);
if (!pages) {const pages = initPages(totalPage);
}
const loadingTask = PDFJS.getDocument(url);
loadingTask.promise.then((pdfDoc) => {
  // 将已经下载的分片保存到 pages 数组中
  for (let i = 0; i < pdfDoc.numPages; i += 1) {
    const pageIndex = startPage + i;
    const page = pages[pageIndex - 1];
    if (page.loadStatus !== pageLoadStatus.LOADED) {pdfDoc.getPage(i + 1).then((pdfPage) => {
        page.pdfPage = pdfPage;
        page.loadStatus = pageLoadStatus.LOADED;
        // 通知可以进行渲染了
        startRenderPages();});
    }
  }
});
// 从服务器获取分片
asycn function fetchPdfFragment(pageIndex) {
  /* 
    省略具体实现
    该方法从服务器获取包含指定页码 (pageIndex) 的 pdf 分片内容，返回的格式参考上文约定：{
      "startPage": 1, // 分片的开始页码
      "endPage": 5, // 分片结束页码
      "totalPage": 100, // pdf 总页数
      "url": "http://test.com/asset/fhdf82372837283.pdf" // 分片内容下载地址
    }
  */ 
}
// 创建一个 pages 数组来保存已经下载的 pdf 
function initPages (totalPage) {const pages = [];
  for (let i = 0; i < totalPage; i += 1) {
    pages.push({
      pageNo: i + 1,
      loadStatus: pageLoadStatus.WAIT,
      pdfPage: null,
      dom: null
    });
  }
}

PDF 分片内容下载完成之后，我们就可以将其渲染到页面上。渲染之前，我们需要知道 PDF 页面的大小。调用 PDF.js 提供的方法，我们能够根据当前 PDF 的缩放比例、选择角度来获取页面的实际大小。

// 获取单页高度
const viewport = pdfPage.getViewport({
  scale: 1, // 缩放的比例
  rotation: 0, // 旋转的角度
});
// 记录 pdf 页面高度
const pageSize = {
  width: viewport.width,
  height: viewport.height,
}

然后我们需要创建一个内容渲染的区域，需要计算出内容的总高度（总高度 = 单页高度 * 总页数）。

// 为了不让内容太拥挤，我们可以加一些页面间距 PAGE_INTVERVAL
const PAGE_INTVERVAL = 10;
// 创建内容绘制区，并设置大小
const contentView = document.createElement('div');
contentView.style.width = `${this.pageSize.width}px`;
contentView.style.height = `${(totalPage * (pageSize.height + PAGE_INTVERVAL)) + PAGE_INTVERVAL}px`;
pdfContainer.appendChild(contentView);

之后我们就可以根据 pdf 的页码来将其内容渲染到指定区域。

// 我们可以通过 scale 和 rotaion 的值来控制 pdf 文档缩放、旋转
let scale = 1;
let rotation = 0;
function renderPageContent (page) {const { pdfPage, pageNo, dom} = page;
  // dom 元素已存在，无须重新渲染，直接返回
  if (dom) {return;}
  const viewport = pdfPage.getViewport({
    scale: scale,
    rotation: rotation,
  });
  // 创建新的 canvas
  const canvas = document.createElement('canvas');
  const context = canvas.getContext('2d');
  canvas.height = pageSize.height;
  canvas.width = pageSize.width;
  // 创建渲染的 dom
  const pageDom = document.createElement('div');
  pageDom.style.position = 'absolute';
  pageDom.style.top = `${((pageNo - 1) * (pageSize.height + PAGE_INTVERVAL)) + PAGE_INTVERVAL}px`;
  pageDom.style.width = `${pageSize.width}px`;
  pageDom.style.height = `${pageSize.height}px`;
  pageDom.appendChild(canvas);
  // 渲染内容
  pdfPage.render({
    canvasContext: context,
    viewport,
  });
  page.dom = pageDom;
  contentView.appendChild(pageDom);
}

上面我们已经将第一个分片进行了展示，但是当用户进行滚动时，我们需要更新内容的显示。首先根据滚动的位置，计算出当前需要展示的页面，然后下载包含该页面的分片。

// 监听容器的滚动事件，触发 scrollPdf 方法
// 这里加了防抖保证不会一次产生过多请求
scrollPdf = _.debounce(() => {
  const scrollTop = pdfContainer.scrollTop;
  const height = pdfContainer.height;
  // 根据内容可视区域中心点计算页码, 没有滚动时，指向第一页
  const pageIndex = scrollTop > 0 ?
        Math.ceil((scrollTop + (height / 2)) / (pageSize.height + PAGE_INTVERVAL)) :
        1;
  loadBefore(pageIndex);
  loadAfter(pageIndex);
}, 200)
// 假定每个分片的大小是 5 页
const SLICE_COUNT = 5;
// 获取当前页之前页面的分片
function loadBefore (pageIndex) {const start = (Math.floor(pageIndex / SLICE_COUNT) * SLICE_COUNT) - (SLICE_COUNT - 1);
  if (start > 0) {const prevPage = pages[start - 1] || {};
    prevPage.loadStatus === pageLoadStatus.WAIT && loadPdfData(start);
  }
}
// 获取当前页之后页面的分片
function loadAfter (pageIndex) {const start = (Math.floor(pageIndex / SLICE_COUNT) * SLICE_COUNT) + 1;
  if (start <= pages.length) {const nextPage = pages[start - 1] || {};
    nextPage.loadStatus === pageLoadStatus.WAIT && loadPdfData(start);
  }
}

PDF 文件可能会很大，比如一个 1000 页的 PDF 文件。随着用户的滚动浏览，它会一直渲染，如果最终同时将 1000 个页面的 dom 全部放到页面上。那么内存占用将会非常多，导致页面卡顿。因此，为了减少内存占用，我们可以将当前可视范围之外的页面元素清除。

// 首先我们获取到需要渲染的范围
// 根据当前的可视范围内的页码，我们前后只保留 10 页
function getRenderScope (pageIndex) {const pagesToRender = [];
  let i = pageIndex - 1;
  let j = pageIndex + 1;
  pagesToRender.push(pages[pageIndex - 1]);
  while (pagesToRender.length < 10 && pagesToRender.length < pages.length) {if (i > 0) {pagesToRender.push(pages[i - 1]);
      i -= 1;
    }
    if (pagesToRender.length >= 10) {break;}
    if (j <= pages.length) {pagesToRender.push(this.pages[j - 1]);
      j += 1;
    }
  }
  return pagesToRender;
}
// 渲染需要展示的页面，不需展示的页码将其清除
function renderPages (pageIndex) {const pagesToRender = getRenderScope(pageIndex);
  for (const i of pages) {if (pagesToRender.includes(i)) {
      i.loadStatus === pageLoadStatus.LOADED ?
        renderPageContent(i) :
        renderPageLoading(i);
    } else {clearPage(i);
    }
  }
}
// 清除页面 dom
function clearPage (page) {if (page.dom) {contentView.removeChild(page.dom);
    page.dom = undefined;
  }
}
// 页面正在下载时渲染 loading 视图
function renderPageLoading (page) {const { pageNo, dom} = page;
  if (dom) {return;}
  const pageDom = document.createElement('div');
  pageDom.style.width = `${pageSize.width}px`;
  pageDom.style.height = `${pageSize.height}px`;
  pageDom.style.position = 'absolute';
  pageDom.style.top = `${((pageNo - 1) * (pageSize.height + PAGE_INTVERVAL)) + PAGE_INTVERVAL
  }px`;
  /*
      此处在 dom 上添加 loading 组件，省略实现
  */
  page.dom = pageDom;
  contentView.appendChild(pageDom);
}

至此，我们就实现了 PDF 文件的分片展示。保证了第一次用户就可以很快看到文件内容，同时在用户在滚动浏览时不会感觉到有卡顿，产品经理也露出了满足的微笑。

我们在程序设计中，遇到请求数据较大、任务执行时间过长等场景时很容易想到通过数据切分、任务分片等方式来提升程序在系统中的执行 & 响应效果。本文介绍的问题便是将大的 PDF 文件拆分，然后根据用户的交互行为按需加载，从而达到提升用户在线阅读体验的目的。

当然上述方案还存在很多优化空间，比如我们可以通过 IntersectionObserver API 结合容器 margin 的调整来实现 PDF 内容的滚动及页面元素的复用。具体的实现大家有兴趣可以自己尝试。

实际使用场景中，我们也遇到了一些坑。上述方案在进行页面渲染时，会预先初始化整个容器（contentView）的大小。并且我们是根据第一次获取的 PDF 页面的大小进行计算容器高度的（页面高度 * 总页数）。这里有一个前提，就是我们假定所有的 PDF 页面大小是一样的，但在实际场景中，很可能出现同一个 PDF 文档中，页面大小不一样的情况。这时就会出现加载页面位置不准确或者内容展示被遮挡的情况。

针对上述问题，目前我们思考了两种方案：

将大小不一样的页面进行缩放。当我们发现页面大小和保存的 pageSize 不一致时，可以将当前页进行缩放，这样就将所有页面的大小转化成了一样。但是这样做用户体验会有所影响，因为用户看到的页面内容大小可能和他实际上传的不一样。
可以在服务器上提前计算好每一页的页面大小，返回给前端。前端在渲染指定页时，根据服务器返回的数据进行来计算页面位置。但是这样需要在前端做大量的计算。渲染性能上会受到一些影响。

如果大家还有更好的办法，欢迎讨论。

政采云前端团队（ZooTeam），一个年轻富有激情和创造力的前端团队，隶属于政采云产品研发部，Base 在风景如画的杭州。团队现有 50 余个前端小伙伴，平均年龄 27 岁，近 3 成是全栈工程师，妥妥的青年风暴团。成员构成既有来自于阿里、网易的“老”兵，也有浙大、中科大、杭电等校的应届新人。团队在日常的业务对接之外，还在物料体系、工程平台、搭建平台、性能体验、云端应用、数据分析及可视化等方向进行技术探索和实战，推动并落地了一系列的内部技术产品，持续探索前端技术体系的新边界。

如果你想改变一直被事折腾，希望开始能折腾事；如果你想改变一直被告诫需要多些想法，却无从破局；如果你想改变你有能力去做成那个结果，却不需要你；如果你想改变你想做成的事需要一个团队去支撑，但没你带人的位置；如果你想改变既定的节奏，将会是“5 年工作时间 3 年工作经验”；如果你想改变本来悟性不错，但总是有那一层窗户纸的模糊… 如果你相信相信的力量，相信平凡人能成就非凡事，相信能遇到更好的自己。如果你希望参与到随着业务腾飞的过程，亲手推动一个有着深入的业务理解、完善的技术体系、技术创造价值、影响力外溢的前端团队的成长历程，我觉得我们该聊聊。任何时间，等着你写点什么，发给 ZooTeam@cai-inc.com

如何实现高性能的在线-PDF-预览

引言

方案思路 – PDF 内容分片加载

知识准备 – PDF.js 接口介绍

实现细节

下载 PDF 分片

渲染 PDF 分片

滚动加载内容

做一些优化

总结 & 遇到的坑

招贤纳士