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[JavaScript知识库]浏览器渲染原理

浏览器渲染原理

1. 进程和线程

进程 : 进程是操作系统资源分配的基本单位，进程中包含线程。简而言之，就是正在进行中的应用程序。

线程：线程是由进程所管理的。是进程内的一个独立执行的单位，是CPU调度的最小单位。

线程是进程的基本单位，一个进程由一个或者多个线程组成，搞清楚这个关系之后，我们可以明确线程就是程序执行的最小单元。
线程和进程一样，也是动态概念，有创建有销毁，存在只是暂时的，不是永久性的。
进程与线程的区别在于进程在运行时拥有独立的内存空间，也就是说每个进程所占用的内存都是独立的。
- 例如：微信运行时,系统会给它一个运行内存。
多个线程是共享内存空间的，但是每个线程的执行是相互独立的，线程必须依赖于进程才能执行，单独的线程是无法执行的，由进程来控制多个线程的执行，没有进程就不存在线程。
- 例如：我先开启一个发送消息的线程,那么同时还能由一个接收消息的线程。两个线程之间完全独立。

为了提升浏览器的稳定性和安全性，浏览器采取了多进程模型。

2. 浏览器中的5个进程

目前最新的Chrome进程架构图

浏览器设置的时候是一个多进程模型，这样能确保浏览的安全性和稳定性。如果一个页面有问题，不影响其他页面的运行。

浏览器进程。主要负责界面显示、用户交互、子进程管理、同时提供存储等功能。
渲染进程。 核心任务是将HTML、CSS和JavaScript转换为用户可以与之交互的网页，排版引擎Blink和JavaScript引擎V8都运行在该进程中，默认情况下，Chrome为每一个Tab标签页创建一个渲染进程。出于安全考虑，渲染进程都是运行在沙箱模式下的。
**GPU进程。**GPU图形处理器（英语：graphics processing unit，缩写：GPU）,负责3D CSS效果，网页，Chrome ui的绘制。
网络进程。主要负责页面的网络资源加载，之前是作为一个模块运行在浏览器进程里面的，直至最近才独立处理，成为单独一个进程。
插件进程。主要负责插件的运行，因为插件易崩溃，所以通过插件进程来隔离，以保证插件进程崩溃不会对浏览器和页面造成影响。每一种类型的插件对应一个进程，仅当使用该插件时才创建。

所以我们开启一个页面，至少会启动4个进程。

3. HTTP 请求流程

HTTP是一种允许浏览器向服务器获取资源的协议，是Web的基础。通常由浏览器发起请求，用来获取不同类型的文件，例如HTML，CSS，JavaScript、图片、视频等。此外，HTTP也是浏览器使用最广的协议。规定了客户端请求，和服务器端响应数据格式的协议。

接下来简单介绍一下浏览器发送HTTP 请求的大致流程：

3.1 浏览器发送 HTTP 请求的流程

构造请求

首先，浏览器构造请求行，构建好之后，浏览器准备发起网络请求

查找缓存

在正在发起网络请求之前，浏览器会现在浏览器缓存中查询是否有请求的文件，其实浏览器缓存是一种本地保存的资源副本，以供下次请求时直接使用的技术。

当浏览器发现请求的资源已经在浏览器缓存中存有副本，它会拦截请求，返回该资源的副本，并直接结束请求。而不会再去源服务器中重新下载。这样可以缓解服务的压力，提升性能。如果缓存查找失败，则进入网络请求。

准备IP地址和端口

HTTP和TCP的关系，因为浏览器使用HTTP协议作为应用层协议**，用来封装请求的文本信息**；并使用TCP/IP作传输层协议将它发到网络上，所以在HTTP工作开始之前，浏览器需要TCP与服务器建立连接。也就是说HTTP的内容是通过TCP的传输数据阶段来实现的。

数据包是通过IP地址传输给接收方的。由于IP地址是数字标识的，难以记忆，使用一个域名例如www.baidu.com就容易记忆了，所以基于这个需求又出现了一个服务，负责把域名和IP地址做–映射关系。这套域名映射为IP的系统叫做"域名系统"，简称DNS。

第一步浏览器会请求 DNS 返回域名对应的 IP。当然浏览器还提供了 DNS 数据缓存服务，如果某个域名已经解析过了，那么浏览器会缓存解析的结果，以供下次查询时直接使用，这样也会减少一次网络请求。

等待TCP队列

IP地址和端口已经准备好了，是不是可以马上建立TCP连接。

不行，因为Chrome有个机制，同一个域名同时最多只能建立6个TCP连接。如果请求书少于6个，直接进入下一步，建立TCP连接。

建立TCP连接

排队等待结束后，建立TCP连接

发送HTTP请求

3.2 服务端处理 HTTP 请求的流程

历经千辛万苦，HTTP 的请求信息终于被送达了服务器。接下来，服务器会根据浏览器的请求信息来准备相应的内容：

返回请求
断开连接

通常情况下，一旦服务器向客户端返回了请求数据，它就要关闭TCP连接。不过如果在浏览器或服务器在其头部信息加入Connection:Keep-Alive那么TCP连接在发送后将仍然保持打开状态，这样浏览器可以继续通过同一个TCP连接发送请求。

保持TCP连接可以省去下次请求时需要建立连接的时间，提升资源加载速度。比如一个Web页面中内嵌图片来自于同一个web站点，如果初始化长连接，就不需要重复建立新的TCP连接。

3.3 为什么很多站点第二次打开会很快

因为第一次加载页面的过程中，缓存了一些耗时的数据。

那么，哪些数据会被缓存呢?DNS缓存和页面资源缓存这两块数据是会被浏览器缓存的。

通过上图第一次请求可以看出，当服务器返回HTTP响应头给浏览器时，浏览器通过响应头的Cache-Control字段来设置是否缓存该资源。

Cache-Control:Max-age=2000 //缓存过期时间是2000

这也就意味着，在该缓存资源还没有过期的情况下，如果再次发送请求该资源，会之间返回缓存中的资源给浏览器。

但如果缓存过期了，浏览器则会继续发送网络请求，并且在HTTP请求头中带上:

If-None-Match:"4f80f-13c-3a1xb12a"

简要来说，很多网站第二次访问能够秒开，是因为这些网站把很多资源都缓存在了本地，浏览器缓存直接使用本地副本来回应请求，而不会产生真实的网络请求，从而节省了时间。同时，DNS 数据也被浏览器缓存了，这又省去了 DNS 查询环节。

4. 输入url地址到浏览器显示页面发生了什么

接下来我们从进程角度讨论一下：从浏览器里，输入URL地址，到页面显示，这中间发生了什么?

从上图可以看到，整个过程需要各个进程之间的配合，我们结合上图我们从进程的角度，描述一下

1、浏览器进程接收到用户输入的URL请求，浏览器进程便将URL转发给网络进程。

2、网络进程中发起真正的URL请求。

3、网络进程接收到响应头数据，便解析响应头数据，并将数据转发给浏览器进程。

4、浏览器进程接收到网络进程的响应头数据之后，发送"提交文档"消息到渲染进程。

5、渲染进程接收到"提交文档"的消息之后，便开始准备接收HTML数据，接收数据的方式是直接和网络进程建立数据管道。

6、等文档数据传输完成之后，渲染进程会返回“确认提交”的消息给浏览器进程。

7、浏览器进程接收到渲染进程"确认提交"的消息之后，便开始移除之前旧的文档，然后更新浏览器进程中的页面状态。

所谓提交文档，就是浏览器主进程，将网络进程接收到的HTML数据提交给渲染进程。

5. 浏览器渲染流程

接下来我们从一个简单的html页面来谈浏览器的渲染流程：

5.1 构建 DOM 树

DOM解析的特点，是不会被阻塞的。因为浏览器无法直接理解和使用HTML，所以需要将HTML转化为浏览器能够理解的结构—DOM树。树结构很像我们现实生活中的"树"，其中的每一个点我们称为**节点,**相连的节点称为父子节点。在浏览器渲染中，我们使用的就是树结构。

DOM树描述了文档的内容。<html>元素是第一个标签也是文档树的根节点。树反映了不同标记之间的关系和层次结构。嵌套在其他标记中的标记是子节点。DOM节点的数量越多，构建DOM树所需的时间就越长。

HTML内容转换为浏览器DOM树结构的过程：字节 → 字符 → 令牌 → 节点 → 对象模型。

转换: 浏览器从磁盘或网络读取 HTML 的原始字节，并根据文件的指定编码（例如 UTF-8）将它们转换成各个字符。
令牌化: 浏览器将字符串转换成 W3C HTML5 标准规定的各种令牌，例如，“”、“”，以及其他尖括号内的字符串。每个令牌都具有特殊含义和一组规则。
词法分析: 发出的令牌转换成定义其属性和规则的“对象”。
DOM 构建: 最后，由于 HTML 标记定义不同标记之间的关系（一些标记包含在其他标记内），创建的对象链接在一个树数据结构内，此结构也会捕获原始标记中定义的父项-子项关系: HTML 对象是 body 对象的父项，body 是 paragraph 对象的父项，依此类推。

当解析器发现非阻塞资源，例如一张图片，浏览器会请求这些资源并且继续解析。当遇到一个CSS文件时，解析也可以继续进行，但是对于<script>标签（特别是没有 async 或者 defer 属性）会阻塞渲染并停止HTML的解析。

浏览器构建DOM树时，这个过程占用了主线程。当这种情况发生时，预加载扫描仪将解析可用的内容并请求高优先级资源，如CSS、JavaScript和web字体。多亏了预加载扫描器，我们不必等到解析器找到对外部资源的引用来请求它。它将在后台检索资源，以便在主HTML解析器到达请求的资源时，它们可能已经在运行，或者已经被下载。预加载扫描仪提供的优化减少了阻塞。

5.2 样式计算

先有内容，我们才能对内容就行修饰。

样式计算的目的是为了计算出DOM节点中每一个元素的具体样式，这个阶段大体分三步。

5.2.1 把CSS转换为浏览器内容理解的结构

CSS来源有：

外部样式表：通过link引用的CSS文件
内部样式表：style标签内的CSS
内联样式：元素的style属性内嵌的CSS

和HTML文件一样，浏览器也是无法直接理解这些纯文本的CSS样式，所以当渲染引擎接收到CSS文本的时，会执行一个转换操作，将css文本转换为浏览器可以理解的结构—styleSheets。

渲染引擎会把获取到的 CSS 文本全部转换为 styleSheets 结构中的数据，并且该结构同时具备了查询和修改功能，这会为后面使用JS的样式操作提供基础。

5.2.2 转换样式表中的属性值，使其标准化

我们已经将CSS转换为浏览器能理解的结构了，那么接下来就要对其进行属性值的标准化操作。

那么什么是属性值的标注啊呢？

body { font-size: 2em }
p {color:blue;}
span {display: none}
div {font-weight: bold}
div p {color:green;}
div {color:red; }

可以看到上面的 CSS 文本中有很多属性值，如 2em、blue、bold，这些类型数值不容易被渲染引擎理解，所以需要将所有值转换为渲染引擎容易理解的、标准化的计算值，这个过程就是属性值标准化。

5.2.3 计算出DOM树中每一个节点的具体样式

这里就涉及到CSS的继承规则和层叠规则了。

首先是CSS的继承，css继承是每个DOM节点都包含父节点的样式。结合以下例子，看下面这张表示如何应用到DOM节点上的。

body { font-size: 20px }

继承规则就是一般文本和字体相关样式都是可以继承的。层叠规则，嵌套的越深权重就越高。

总之，样式计算阶段的目的是为了计算出 DOM 节点中每个元素的具体样式，在计算过程中需要遵守 CSS 的继承和层叠两个规则。这个阶段最终输出的内容是每个 DOM 节点的样式，并被保存在 ComputedStyle 的结构内。

如果你想了解每个 DOM 元素最终的计算样式，可以打开 Chrome 的“开发者工具”，选择第一个“element”标签，然后再选择“Computed”子标签

5.3 布局阶段

现在，我们有DOM树和DOM树中元素的样式，但是还足以显示页面，因为我们还不知道DOM元素的几何位置，那么接下来就需要计算出DOM树中可见元素的几何位置，我们把这个计算过程叫做布局。

Chrome在布局阶段需要完成两个任务:创建布局树和布局计算

5.3.1 创建布局树

DOM树有些元素不会在页面上显示，被用户看到，如head标签和使用了display:none的元素。所以在显示之前，我么还要额外地构建一棵只包含了可见元素的布局树。

从上图可以看出，DOM树中所有不可见的节点都没有有包含到布局树中。

5.3.2 布局计算

我们已经有了一棵完整的布局树，那么接下来就要根据DOM节点对应的CSS树中的样式，计算布局树节点的坐标位置。即计算元素在视口上确切的位置和大小。

5.4 分层 (图层树)

有了布局树之后，每个元素的具体位置信息都计算出来了，那么接下来是不是就要开始着手绘制页面了？不是。因为页面中有很多复杂的效果，如一些复杂的3D转换，页面滚动，或者使用z-index，为了更方便的实现这些效果，渲染引擎还需要为特定的节点生成专门的图层，并生成一棵对应的图层树(LayerTree)。这和PS的图层类似，正是这些图层叠加在一起才最终构成了页面图像。

想要直观的理解什么是图层，可以打开Chrome的"开发工具"，选择Layers标签，就可以查看可视化页面的分层情况。

布局树和图层树的关系

通常情况下，并不是布局树中的每一个节点都包含一个图层，如果一个节点没有对应的图层，那么这个节点就从属于父节点的图层。那么什么情况满足，渲染引擎才会为特定的节点创建新的图层呢?满足一下两个条件中的任意一个，元素就可以被单独提升为一个图层。

拥有层叠上下文属性的元素会被提升为单独的一层

页面是一个二维平面，但层叠上下文能够上HTML元素拥有三维概念，这些HTML元素按自身属性的优先级分布在垂直于这个二维平面的Z轴上，以下情况会作为单独的图层。

position:fixed
css 3d 例如：transform:rotateX(30deg)
video
canvas
有CSS3动画的节点
will-change

需要剪裁的地方也会被创建为图层

那么什么是剪裁，结合以下代码

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge">
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
    <title>Document</title>
    <style>
        div {
              width: 200px;
              height: 200px;
              overflow:auto;
              background: gray;
          } 
    </style>
</head>
<body>
  <div >
      <p>所以元素有了层叠上下文的属性或者需要被剪裁，那么就会被提升成为单独一层，你可以参看下图：</p>
      <p>从上图我们可以看到，document层上有A和B层，而B层之上又有两个图层。这些图层组织在一起也是一颗树状结构。</p>
      <p>图层树是基于布局树来创建的，为了找出哪些元素需要在哪些层中，渲染引擎会遍历布局树来创建层树（Update LayerTree）。</p> 
  </div>
</body>
</html>

这里我么把div的大小限定为200 * 200像素，而div里面的文字内容比较多，文字所显示的区域肯定会超过200 * 200的面积，这时候就产生了剪裁，渲染引擎会把裁剪文字内容的一部分用于显示在div区域，下面是运行时的执行结果:

出现这种裁剪情况时，渲染引擎会为文字单独为文字创建一层，如出现滚动条，滚动条也会被提升为单独的层。

5.5 图层的绘制

在完成图层树的构建之后，渲染引擎会对图层树中的每个图层进行绘制，那么接下来我们看看渲染引擎是如何实现图层的绘制?

如果给你一张纸，让你先把背景涂成暗色，然后再中间中间位置花一个红色的圆，最后在圆上画一个绿色三角，你会怎么操作，通常你会按顺序操作。

渲染引擎实现图层的绘制与之类似，会把一个图层的绘制拆分为很多小的绘制指令，然后再把这些指令按照顺序组成一个待绘制列表，如下图所示:

从图中可以看出，绘制列表中的指令其实非常简单，就是让其执行一个简单的绘制操作，比如说绘制粉色矩形或者黑色的线等。而绘制一个元素通常需要好几条绘制指令，因为每个元素的背景、前景、边框都需要单独的指令去绘制。所以在图层绘制阶段，输出的内容就是这些待绘制列表。

5.6 栅格化操作

绘制列表指令用来记录绘制顺序和绘制指令的列表，而实际上绘制操作是由渲染引擎中的合成线程来完成。结合下图看渲染主线程和合成线程之间的关系:

如上图所示，当图层的绘制列表准备好之后，主线程会把该绘制列表提交给合成线程，那么合成线程是如何工作的？

首先我们谈一个概念，视口。什么是视口？

通常一个页面可能很大，用户只能看到其中的一部分，我们把用户可以看到的这个区域叫视口(viewport)。

比如说，一个图层很大，页面需要滚动底部，才能全部显示。但是通过视口，用户只能看到页面很小的一部分，所以在此种情况下，要一次性绘制完图层所有的内容，会产生很大的开销，且没有必要。

基于这个原因，合成线程会将图层划分为图块，这些图块的大小通常是256 * 256或512 * 512。然后合成线程会按照视口附近的图块来优先生成位图，实际生成位图的操作就是有栅格化来执行的。所谓栅格化，**是指将图块转化为位图(所谓位图就是能够看的到的图层区域)。而图块是栅格化执行的最小单位。**渲染进程维护了一个栅格化的线程池，所有的图块栅格化都是在线程池内执行，运行方式如下图所示:

通常，栅格化过程都会使用GPU来加速生成，使用GPU生成位图过程叫快速栅格化，或者GPU栅格化，生成的位图被保存在GPU内存中。GPU操作是运行在GPU进程中的，那么栅格化，还涉及到了跨进程操作。

从图中可以看出，渲染进程把生成图块的指令发送给 GPU，然后在 GPU 中执行生成图块的位图，并保存在 GPU 的内存中。

5.7 合成和显示

一旦所有图块被栅格化，合成线程就会生成一个绘制图块的命令—“DrawQuad”，然后将该命令提交给浏览器进程。

浏览器进程里有一个叫viz的组件，用来接收合成线程发过来的DrawQuad命令，然后根据DrawQuad命令，将其页面内容绘制到内存中，最后显示在屏幕上。

到此，经过一系列的阶段，编写好的HTML、CSS、JavaScript等文件，经过浏览器就会显示为页面。

5.8 总结

我们已经完整分析了整个渲染流程，从HTML到DOM，样式计算，布局，图层，绘制，栅格化，合成和显示。

一个完整的渲染流程大致可总结如下:

渲染进程将HTML内容转换为浏览器能够读懂的DOM树结构。
渲染引擎将CSS样式表转化为浏览器能够理解的CSS树,计算出DOM节点的样式。
DOM树 + CSS树创建布局树，并计算元素的布局信息。
对布局树进行分层，并生成图层树。
对每个图层生成绘制列表，并将其提交给合成线程。
对每个图层进行单独的绘制
合并图层。

6. 相关概念

有了渲染流水线的基础，我们来谈谈和渲染流水线关系的三个概念—重排，重绘和合成。理解这个三个概念对于后续Web的性能优化会有很大的帮助。

6.1 更新元素的几何属性(重排)

从上图可以看出，如果你通过JS或CSS修改元素的几何位置属性，如width，height等，那么会触发浏览器的重新布局，解析之后的一系列子阶段，这个过程就叫**重排也称回流。重排需要更新完整的渲染流水线，所以开销也最大的。

6.2 更新元素的绘制属性(重绘)

比如通过JS更改某些元素的背景颜色，渲染流水的调整参见下图:

修改元素的背景色，布局阶段不会执行，因为没有引起几何位置的变换，所以直接进入绘制，然后执行之后的一系列子阶段，这个过程就叫重绘。相较重排操作，重绘省去了布局和分层阶段，所以执行效率会比重排效率高。

6.3 直接合成阶段

那如果你更改一个既不要布局也不要绘制的属性，渲染引擎将跳过布局和绘制，只执行后续的合成操作，我们把这个过程叫做合成。

在上图，我们使用CSS的transform来实现动画效果，可以避开重排和重绘阶段，直接在非主线程上执行合成动画操作。这样的效率最高，因为是在非主线程上合成的，并没有占用主线程的资源。

7. 优化方案

如果我们要提升性能，需要做的就是减少浏览器的重绘和回流

避免使用table布局。
尽可能在DOM树的最末端改变class。
避免设置多层内联样式。
将动画效果应用到position属性为absolute或fixed的元素上。
避免使用CSS表达式（例如：calc()）。

避免频繁操作样式，最好一次性重写style属性，或者将样式列表定义为class并一次性更改class属性。
避免频繁操作DOM，创建一个documentFragment，在它上面应用所有DOM操作，最后再把它添加到文档中。
也可以先为元素设置display: none，操作结束后再把它显示出来。因为在display属性为none的元素上进行的DOM操作不会引发回流和重绘。
避免频繁读取会引发回流/重绘的属性，如果确实需要多次使用，就用一个变量缓存起来。
对具有复杂动画的元素使用绝对定位，使它脱离文档流，否则会引起父元素及后续元素频繁回流。