浏览器渲染原理

前言

浏览器的主要功能总结起来就是一句话：将用户输入的 URL 转变成可视化的图像。

1. 从 URL 到 DOM 树；
2. 从 DOM 树到可视化图像；
3. 这两个过程之间的关系并没有那么明确，我们可以统称这两个过程为页面的渲染；

1. 网页的解析过程

• 思考一下：一个网页从 url 输入到浏览器，经历过怎样的解析过程？

• 要想深入理解下载的过程，我们还要先理解，一个 index.html 被下载下来后是如何被解析和显示在浏览器上的；

2. 浏览器的功能与组成

2.1 浏览器内核

1. Trident （ 三叉戟）： IE、 360 安全浏览器、 UC 浏览器
2. Gecko（ 壁虎） ： Mozilla Firefox
3. Presto（急板乐曲） -> Blink （眨眼）： Opera
4. Webkit ： Safari、 360 极速浏览器、搜狗高速浏览器、移动端浏览器（Android、 iOS）
5. Webkit -> Blink ： Google Chrome， Edge

浏览器的内核相当于汽车的发动机，是最核心的存在，它负责将代码转换成用户眼中的界面。

• 我们经常说的浏览器内核指的是浏览器的排版引擎：
  • 排版引擎 (layout engine)，也称为浏览器引擎 (browser engine)、页面渲染引擎 (rendering engine) 或样版引擎；
• 也就是一个网页下载下来后，就是由我们的渲染引擎来帮助我们解析的；

2.2 进程与线程

• 进程与线程的解释：
  • 进程：程序的一次执行，它占有一片独有的内存空间，是操作系统执行的基本单元；
  • 线程：是进程内的一个独立执行单元，是 CPU 调度的最小单元；
• 浏览器： 多进程、多线程模型
  • Browser 进程：
    • 浏览器的主进程，负责浏览器界面的显示，和各个页面的管理；
    • 浏览器中所有其他类型进程的祖先，负责其他进程的的创建和销毁，它有且只有一个！
  • Renderer 进程：
    • 网页渲染进程，负责页面的渲染，可以有多个渲染进程的数量，不一定是打开页面的数量；
  • GPU Process：负责 GPU 相关；
  • Plugin Process：负责控制一个网页用到的 Plugin；

3. 浏览器渲染流程

3.1 渲染引擎解析过程

• 渲染引擎在拿到一个页面后，如何解析整个页面并且最终呈现出我们的网页呢？
  • 我们通过下面的这幅图，让我们更加详细的学习它的过程；

3.2 渲染引擎主要模块

• 一个渲染引擎主要包括：HTML 解析器，CSS 解析器，javascript 引擎，布局 layout 模块，绘图模块；
  • HTML 解析器：解释 HTML 文档的解析器，主要作用是将 HTML 文本解释成 DOM 树；
  • CSS 解析器：它的作用是为 DOM 中的各个元素对象计算出样式信息，为布局提供基础设施；
  • Javascript 引擎：使用 Javascript 代码可以修改网页的内容，也能修改 css 的信息，javascript 引擎能够解释 javascript 代码，并通过 DOM 接口和 CSS 树接口来修改网页内容和样式信息，从而改变渲染的结果
  • 布局 (layout)：在 DOM 创建之后，Webkit 需要将其中的元素对象同样式信息结合起来，计算他们的大小位置等布局信息，形成一个能表达这所有信息的内部表示模型
  • 绘图模块 (paint)：使用图形库将布局计算后的各个网页的节点绘制成图像结果

4. 渲染页面的详细流程

浏览器渲染页面的整个过程：浏览器会从上到下解析文档。

4.1 HTML 解析过程

遇见 HTML 标记，调用 HTML 解析器解析为对应的 token （一个 token 就是一个标签文本的序列化）并构建 DOM 树（就是一块内存，保存着 tokens，建立它们之间的关系）

4.2 生成 CSS 规则

遇见 style/link 标记调用解析器处理 CSS 标记并构建 CSS 样式树。

4.3 构建 Render Tree

当有了 DOM Tree 和 CSSOM Tree 后，就可以两个结合来构建 Render Tree 了

• 注意一： link 元素不会阻塞 DOM Tree 的构建过程，但是会阻塞 Render Tree 的构建过程
  • 这是因为 Render Tree 在构建时，需要对应的 CSSOM Tree；
• 注意二： Render Tree 和 DOM Tree 并不是一一对应的关系
  • 比如对于 display 为 none 的元素，压根不会出现在 render tree 中；

4.4 布局 (layout) 和绘制 (Paint)

• 第四步是：在渲染树（Render Tree）上运行布局（Layout） 来计算每个节点的几何体。
  • 渲染树会表示显示哪些节点以及其他样式，但是不表示每个节点的尺寸、位置等信息；
  • 布局是确定呈现树中所有节点的宽度、高度和位置信息；
• 第五步是：将每个节点绘制（Paint）到屏幕上。
  • 在绘制阶段，浏览器将布局阶段计算的每个 frame 转为屏幕上实际的像素点；
  • 包括将元素的可见部分进行绘制，比如文本、颜色、边框、阴影、替换元素（比如 img）

5. 重绘和回流解析

5.1 重绘（Repaint）

• 第一次渲染内容称之为绘制（paint）
  • 之后重新渲染称之为重绘
• 重绘不会带来重新布局，所以并不一定伴随重排。
  • 浏览器会根据元素的新属性重新绘制，使元素呈现新的外观。
• 什么属性会导致重绘呢？
  • color background box-shadow.. (比如修改背景色、文字颜色、边框颜色、样式等)

5.2 回流/重排（reflow）

理解回流 reflow ：也可以称之为重排

• 第一次确定节点的大小和位置，称之为布局（layout）
  • 之后对节点的大小、位置修改重新计算称之为回流
• “重排/回流"必然导致"重绘”
  • 比如改变一个网页元素的位置，就会同时触发"重排"和"重绘"，因为布局改变了
  • 所以回流是一件很消耗性能的事情
• 什么属性会导致回流呢？
  • width top position.. （比如 DOM 结构发生改变 / 修改了布局）

5.3 常见的触发"回流/重排"操作

• Reflow 的成本比 Repaint 的成本高得多的多。
• 所以在开发中要尽量避免发生回流：
  1. 修改样式时尽量一次性修改
     • 将多次改变样式属性的操作合并成一次操作
     • 预先定义好 class，然后修改 DOM 的 className
  2. 尽量避免频繁的操作 DOM
     • 我们可以在一个 DocumentFragment 或者父元素中将要操作的 DOM 操作完成，再一次性的操作；
  3. 尽量避免通过 getComputedStyle 获取尺寸、位置等信息；
  4. 对某些元素使用 position 的 absolute 或者 fixed
     • 并不是不会引起回流，而是开销相对较小，不会对其他元素造成影响。

5.4 合成和性能优化

• 绘制的过程，可以将布局后的元素绘制到多个合成图层中
  • 这是浏览器的一种优化手段
• 默认情况下，标准流中的内容都是被绘制在同一个图层（Layer）中的
• 而一些特殊的属性，会创建一个新的合成层（ CompositingLayer ），并且新的图层可以利用 GPU 来加速绘制
  • 因为每个合成层都是单独渲染的
• 那么哪些属性可以形成新的合成层呢? 常见的一些属性:
  • 3D transforms
  • video、 canvas、 iframe
  • opacity 动画转换时
  • position: fixed
  • will-change：一个实验性的属性，提前告诉浏览器元素可能发生哪些变化
  • animation 或 transition 设置了 opacity、 transform
• 分层确实可以提高性能，但是它以内存管理为代价，因此不应作为 web 性能优化策略的一部分过度使用

5.5 script 元素和页面解析的关系

• 我们现在已经知道了页面的渲染过程，但是 JavaScript 在哪里呢？
  • 事实上，浏览器在解析 HTML 的过程中，遇到了 script 元素是不能继续构建 DOM 树的；
  • 它会停止继续构建，首先下载 JavaScript 代码，并且执行 JavaScript 的脚本；
  • 只有等到 JavaScript 脚本执行结束后，才会继续解析 HTML，构建 DOM 树；
• 为什么要这样做呢？
  • 这是因为 JavaScript 的作用之一就是操作 DOM，并且可以修改 DOM；
  • 如果我们等到 DOM 树构建完成并且渲染再执行 JavaScript，会造成严重的回流和重绘，影响页面的性能；
  • 所以会在遇到 script 元素时，优先下载和执行 JavaScript 代码，再继续构建 DOM 树；
• 但是这个也往往会带来新的问题，特别是现代页面开发中：
  • 在目前的开发模式中（比如 Vue、 React），脚本往往比 HTML 页面更“重”，处理时间需要更长；
  • 所以会造成页面的解析阻塞，在脚本下载、执行完成之前，用户在界面上什么都看不到；
• 为了解决这个问题， script 元素给我们提供了两个属性（attribute）： defer 和 async。

6. defer 和 async 属性

6.1 defer 属性

• defer 属性：告诉浏览器不要等待脚本下载，而继续解析 HTML，构建 DOM Tree。
  • 脚本会由浏览器来进行下载，但是不会阻塞 DOM Tree 的构建过程；
  • 如果脚本提前下载好了，它会等待 DOM Tree 构建完成，在 DOMContentLoaded 事件之前先执行 defer 中的代码；
• 所以 DOMContentLoaded 总是会等待 defer 中的代码先执行完成。

• 另外多个带 defer 的脚本是可以保持正确的顺序执行的。
  • 从某种角度来说， defer 可以提高页面的性能，并且推荐放到 head 元素中；
  • 注意： defer 仅适用于外部脚本，对于 script 默认内容会被忽略。

6.2 async 属性

• sync 特性与 defer 有些类似，它也能够让脚本不阻塞页面。
• async 是让一个脚本完全独立的：
  • 浏览器不会因 async 脚本而阻塞（与 defer 类似）；
  • async 脚本不能保证顺序，它是独立下载、独立运行，不会等待其他脚本；
  • async 不会能保证在 DOMContentLoaded 之前或者之后执行

• defer 通常用于需要在文档解析后操作 DOM 的 JavaScript 代码，并且对多个 script 文件有顺序要求的；
• async 通常用于独立的脚本，对其他脚本，甚至 DOM 没有依赖的；