面試官不講碼德，問我Chrome瀏覽器的渲染原理（6000字長文）

時間：2020-12-23 09:50:27

關鍵字：代碼嵌入式

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[導讀]對于HTML，css和JavaScript是如何變成頁面的，這個問題你了解過嗎？瀏覽器究竟在背后都做了些什么事情呢？讓我們?nèi)チ私鉃g覽器的渲染原理，是通往更深層次的開發(fā)必不可少的事情，能讓我們更深層次，多角度的去考慮性能優(yōu)化等問題。

前言

對于HTML，css和JavaScript是如何變成頁面的，這個問題你了解過嗎？瀏覽器究竟在背后都做了些什么事情呢？讓我們?nèi)チ私鉃g覽器的渲染原理，是通往更深層次的開發(fā)必不可少的事情，能讓我們更深層次，多角度的去考慮性能優(yōu)化等問題。

HTML，css，JavaScript數(shù)據(jù)經(jīng)過中間渲染模塊的處理，最終顯示在頁面上（其中HTML超文本標記語言，CSS層疊樣式表，JS為JavaScript，大家一般都知道是什么，寫過網(wǎng)頁的朋友，學習者大都知道的）。

HTML的內(nèi)容是由標記和文本組成
CSS稱為層疊樣式表，是由選擇器和屬性組成
JS是可以使網(wǎng)頁的內(nèi)容“動”起來

有人說渲染流程可以分為：構建DOM樹，樣式計算，布局階段,分層，繪制，分塊，光柵化和合成等。其中瀏覽器復習一下，它是多線程的的，js是單線程的，JS在瀏覽器中，它可以是多線程的。

下面圍繞瀏覽器渲染原理話題開始描述，為什么要了解瀏覽器渲染頁面機制呢？接下來讓我慢慢告訴你：

瀏覽器渲染原理

首先，JavaScript引擎是基于事件驅(qū)動單線程執(zhí)行的，渲染線程負責渲染瀏覽器界面，但是GUI渲染線程與JS引擎是互斥的，當JS引擎執(zhí)行時GUI線程會被掛起，GUI的更新也會被保存在一個隊列中，等到JS引擎空閑時才有機會被執(zhí)行。

那么什么是DOCTYPE以及作用呢

DTD,document type definition, 文檔類型定義，是一系列的語法規(guī)則，用來定義XML或（x)HTML的文件類型。瀏覽器會使用它來判斷文檔類型，決定使用何種協(xié)議來解析,以及切換瀏覽器模式。

DOCTYPE是用來聲明文檔類型和DTD規(guī)范的，一個主要的用途便是文件的合法性驗證。如果文件代碼不合法，那么瀏覽器解析時便會出一些差錯。

下圖為瀏覽器的渲染過程圖：

重排Reflow

重排的定義：DOM結構中的各個元素都有自己的盒子模型，這些都需要瀏覽器根據(jù)各種樣式來計算并根據(jù)計算結果將元素放到它該出現(xiàn)的位置，這個過程稱之為reflow.

觸發(fā)Reflow情況

當你增加，刪除，修改Dom節(jié)點時會導致Reflow或Repaint
當你移動DOM的位置，或是搞個動畫的時候
當你修改CSS樣式的時候
當你Resize窗口的時候，或是滾動的時候
當你修改網(wǎng)頁的默認字體時

重繪Repaint

重繪的定義，當各種盒子的位置，大小以及其他屬性，例如顏色，字體大小等都確定下來后，瀏覽器于是便把這些元素都按照各自的特性繪制了一遍，于是頁面的內(nèi)容出現(xiàn)了，這個過程稱為repaint。

觸發(fā)Repaint情況

DOM改動
CSS改動

講到這里，下面來細分說一下吧！

簡單介紹一下瀏覽器的工作原理

了解瀏覽器

目前使用的主流的瀏覽器：Internet Explorer，F(xiàn)irefox，Safari，Chrome瀏覽器，Opera。讓我們看看瀏覽器統(tǒng)計數(shù)據(jù)的占比：

讓你說說瀏覽器的主要功能：

就是向服務器發(fā)出請求，在瀏覽器窗口中展示您選擇的網(wǎng)絡資源，資源一般指HTML文檔，可以是PDF，圖片或其他的類型。資源的位置由用戶使用URI（在電腦術語中，統(tǒng)一資源標識符（Uniform Resource Identifier，URI)是一個用于標識某一互聯(lián)網(wǎng)資源名稱的字符串）

瀏覽器的結構

用戶界面：包括地址欄，前進、后退按鈕，書簽菜單等。
瀏覽器引擎：在用戶界面和呈現(xiàn)引擎之間傳送指令。
呈現(xiàn)引擎：負責顯示請求的內(nèi)容。
網(wǎng)絡：用于網(wǎng)絡調(diào)用，比如HTTP請求；其接口與平臺無關，并為所有平臺提供底層實現(xiàn)。
用戶界面后端：用于繪制基本的窗口小部件，比如組合框和窗口。其公開了與平臺無關的通用接口，而在底層使用操作系統(tǒng)的用戶界面方法。
JavaScript解釋器：用于解析和執(zhí)行JavaScript代碼。
數(shù)據(jù)存儲：這是持久層。瀏覽器需要在硬盤上保存各種數(shù)據(jù)，例如Cookie。新的HTML規(guī)范定義了“網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫”，這是一個完整的瀏覽器內(nèi)數(shù)據(jù)庫。

注意：Chrome瀏覽器的每個標簽頁都分別對應一個呈現(xiàn)引擎實例，每個標簽頁都是一個獨立的進程。

呈現(xiàn)引擎

呈現(xiàn)引擎的作用是“呈現(xiàn)”，用于在瀏覽器的屏幕上顯示請求的內(nèi)容。

一般情況下，呈現(xiàn)引擎可顯示HTML和xml文檔與圖片，通過插件或瀏覽器擴展程序，可以顯示其他類型的內(nèi)容。瀏覽器（Firefox，Chrome瀏覽器和Safari）是基于兩種呈現(xiàn)引擎構建的。

Firefox使用的是Gecko，而Safari和Chrome瀏覽器使用的是WebKit（WebKit 是一種開放源代碼呈現(xiàn)引擎）。

主流程

呈現(xiàn)引擎一開始會從網(wǎng)絡層獲取請求文檔的內(nèi)容，其大小一般限制在8000個塊以內(nèi)。

呈現(xiàn)引擎將開始解析HTML文檔，并將各標記逐個轉(zhuǎn)化成“內(nèi)容樹”上的DOM節(jié)點。同時也會解析外部CSS文件以及樣式元素中的樣式數(shù)據(jù)。呈現(xiàn)樹構建完后，會進入“布局”處理階段，也就是為每個節(jié)點分配一個應出現(xiàn)在屏幕上的確切坐標。

解析

解析是呈現(xiàn)引擎中重要的環(huán)境，什么是解析呢？

解析文檔是指將文檔轉(zhuǎn)化成為有意義的結構，可以讓代碼理解和使用的結構。解析得到的結構通常是代表了文檔結構的節(jié)點樹，它稱為解析樹或者語法樹。

語法

解析是以文檔所遵循的語法規(guī)則為基礎的。解析的過程分為兩個子過程：詞法分析和語法分析。

什么是詞法分析呢？

詞法分析是將輸入內(nèi)容分割成大量標記的過程，標記（語言中的詞匯），構成內(nèi)容的單位。相等于語言中的單詞。

什么是語法分析呢？

語法分析是應用語言的語法規(guī)則的過程。

so，解析器一般解析工作分兩個組件處理，為詞法分析器（負責將輸入內(nèi)容分解成一個個有效標記），解析器負責根據(jù)語言的語法規(guī)則來分析文檔的結構，來構建解析樹。

從源文檔到解析樹：Document->Lexical Analysis->Syntax Analysis->Parse Tree

解析是一個迭代的過程。

是這樣的，解析器會向詞法分析器請求一個新標記，并嘗試將其與某條語法規(guī)則進行匹配。如果匹配規(guī)則，解析器就會將對應與該標記的節(jié)點添加到解析樹中，然后繼續(xù)下一個。

但是如果沒有匹配的規(guī)則，解析器會將標記存儲到內(nèi)部，繼續(xù)請求標記，直到可與之匹配的規(guī)則，但是如果沒有直到的話，就會引發(fā)異常（文檔無效，包含語法錯誤等）。

翻譯

解析通常是在翻譯的過程中，而翻譯是將輸入的文檔轉(zhuǎn)換為另一種形式，如編譯器將源代碼編譯成機器代碼，流程是將源代碼解析成解析樹，將解析樹翻譯成機器代碼文檔。

編譯流程：Source Code -> Parsing->Parse Tree -> Translation -> Machine Code

解析器類型

兩種基本的解析器類型：自上而下解析器，自下而上解析器

自上而下就是： 解析器從語法的高層結構出發(fā)，嘗試從中找到匹配的結構。

自下而上就是： ?解析器從低層規(guī)則出發(fā)，將輸入內(nèi)容逐步轉(zhuǎn)化為語法規(guī)則，直至滿足高層規(guī)則。

你知道一種工具叫解析器生成器嗎，它能夠幫助你生成解析器，你只要向它提供你所使用的語言的語法，即詞匯和語法規(guī)則，然后就會生成相應的解析器。

你暈了嗎？可以點擊這里查看：瀏覽器的工作原理：新式網(wǎng)絡瀏覽器幕后揭秘 https://www.html5rocks.com/zh/tutorials/internals/howbrowserswork/

渲染機制

瀏覽器從接收到頁面開始到頁面顯示，這整個過程中的所有步驟，稱關鍵渲染路徑，一般分為兩步：頁面內(nèi)容加載完成和頁面資源完成，分別對應于DOMContentLoaded和Load

關鍵：網(wǎng)頁的渲染過程如下，包含頁面加載和頁面渲染兩個過程。

頁面加載過程是，從服務器請求資源并構建DOM樹的過程，網(wǎng)頁渲染過程指的是通過DOM樹渲染出視圖內(nèi)容。

首先瀏覽器加載網(wǎng)頁內(nèi)容，使用HTML解釋器?將網(wǎng)頁?轉(zhuǎn)變為一系列的 token，再根據(jù)token 構建 dom 樹，當一個可見的 dom 節(jié)點插入到dom 樹時，瀏覽器會構建一個renderObject 節(jié)點并將其插入到 render 樹中。

Render 樹包含節(jié)點的樣式信息，可以簡單理解為 dom + css構成。Render樹將交由排版引擎處理，計算出每一個RenderObject 節(jié)點的大小和位置等信息，然后再交給由渲染引擎完成頁面的內(nèi)容繪制。

DOM + CSS -> Render Tree

復習一下整個關鍵渲染包括：

解析HTML，生成DOM樹(DOM)
解析CSS，生成CSSOM樹
將DOM和CSSOM合并，生成渲染樹（Rendere-Tree）
計算渲染樹的布局Layout
將布局渲染到屏幕上Paint

那么要問了，為什么要了解瀏覽器渲染頁面機制呢？

了解渲染機制，主要還是為了性能的優(yōu)化：

了解瀏覽器如何進行加載，引用外部樣式文件，JS文件時，將它們放到合適的位置，是瀏覽器最快的速度讓文件加載完畢；了解瀏覽器如何進行解析，選擇最優(yōu)的寫法，構建DOM結構，組織CSS選擇器的時候，是為了提高瀏覽器的解析速率；了解瀏覽器如何進行渲染，是可以減少“重繪”，“重新布局”的消耗。

那么上面一直說了解渲染機制，出現(xiàn)的幾個基本概念，這里先弄明白：

DOM: Document Object Model，瀏覽器將HTML解析成樹形的數(shù)據(jù)結構
CSSOM: CSS Object Model，瀏覽器將CSS解析成樹形的數(shù)據(jù)結構
Render Tree: DOM和CSSOM合并生成Render Tree
Layout: 計算出Render Tree每個節(jié)點的具體位置
Painting: 通過顯卡，將Layout后的節(jié)點內(nèi)容分別呈現(xiàn)到屏幕上

當瀏覽器獲取HTML文件后，會自上而下加載并在加載過程中進行解析和渲染；加載就是獲取資源的過程；如果在加載過程中遇到外部的css文件和圖片，瀏覽器會另外發(fā)送一個請求，去獲取css文件和圖片，這個請求是異步的，并不會影響HTML文件的加載；但如果遇到JavaScript文件，HTML文件會掛起渲染的進程，等待JavaScript文件加載完畢后，再繼續(xù)進行渲染。

為什么需要等待JavaScript呢？

因為JavaScript可能會修改dom，導致后面的HTML資源白白加載，需要等待JavaScript文件加載完成后，再繼續(xù)渲染，so，JavaScript文件一般寫在底部body標簽前的原因。

說說瀏覽器頁面渲染：

第一步：在CSS資源還沒有請求回來之前，先生成DOM樹；
第二步：當所有的CSS請求回來之后，瀏覽器按照CSS的導入順序，依次進行渲染，最后生成CSSOM樹；
第三步：把DOM樹和CSSOM樹結合在一起，生成有樣式，有結構的RENDER TREE渲染樹；
最后一步：瀏覽器按照渲染樹，在頁面中進行渲染和解析

由于渲染機制過于復雜，渲染模塊在在執(zhí)行過程中劃分了很多階段，通過《瀏覽器工作原理與實踐》-渲染流程上分：構建DOM樹，樣式計算，布局階段；渲染流程下分：分層，圖層繪制，柵格化（raster）操作，合成和顯示。

整個渲染流程，從HTML到DOM、樣式計算、布局、圖層、繪制、光柵化、合成和顯示。

面試一問：為什么要構建DOM樹？

答：因為瀏覽器不能直接理解和使用HTML，so，需要將HTML轉(zhuǎn)換為瀏覽器能夠理解的結構，即是DOM樹（樹結構一般都了解了的）。

為了了解完整的DOM樹結構，可以打開Chrome的“開發(fā)者工具”，或按F12，如圖下：

接下來要讓DOM節(jié)點擁有正確的樣式，這就需要樣式計算了。

樣式計算的目的是為了計算出DOM節(jié)點中每個元素的具體樣式：三步走

把CSS轉(zhuǎn)換為瀏覽器能夠理解的結構
轉(zhuǎn)換樣式表中的屬性值，使其標準化
計算出DOM樹中每個節(jié)點的具體樣式（涉及到CSS的繼承規(guī)則和層疊規(guī)則）

當渲染引擎接收到CSS文本時，會執(zhí)行一個轉(zhuǎn)換操作，將CSS文本轉(zhuǎn)換為瀏覽器可以理解的結構——styleSheets。屬性值標準化的過程：將所有值轉(zhuǎn)換為渲染引擎容易理解的、標準化的計算值。

DOM元素最終計算的樣式如圖：

布局階段

布局：計算出DOM樹中可見元素的幾何位置，第一創(chuàng)建布局樹（構建一棵只包含可見元素布局樹），第二布局計算。

面試問題：CSS加載會阻塞頁面顯示嗎？

css加載不會阻塞DOM樹的解析
css加載會阻塞DOM樹的渲染
css加載會阻塞后面js語句的執(zhí)行

so，為了避免讓用戶看到長時間的白屏時間，應該提高css的加載速度。

為了防止css阻塞，引起頁面白屏，可以提高頁面加載速度

使用cdn
對css進行壓縮
合理利用緩存
減少http請求，將多個css文件合并

面試問題：下載CSS文件阻塞了，會阻塞DOM樹的合成嗎？會阻塞頁面的顯示嗎？

答：不會阻塞dom樹構建的，因為HTML轉(zhuǎn)化為dom樹的過程，發(fā)現(xiàn)文件請求會交給網(wǎng)絡進程去請求對應文件，渲染進程繼續(xù)解析HTML。

會阻塞頁面的顯示，當計算樣式的時候需要等待css文件的資源進行層疊樣式，資源阻塞了，會進行等待，直到網(wǎng)絡超時，network報出錯誤，渲染進程繼續(xù)層疊樣式計算。

說了DOM生成、樣式計算和布局三個階段，接下來說說后面的階段。

說說分層：渲染引擎給頁面分了很多圖層，這些圖層按照一定順序疊加在一起，就形成了最終的頁面。完成圖層樹的構建后，渲染引擎會對圖層樹中的每個圖層進行繪制，為圖層繪制。然后進行柵格化（raster）操作（繪制列表只是用來記錄繪制順序和繪制指令的列表，而實際上繪制操作是由渲染引擎中的合成線程來完成的），最后合成與顯示。

頁面渲染機制圖如下：

渲染過程圖如下：

瀏覽器渲染過程如下：

這里重點要說（重新說一下）兩個概念回流和重繪：

當render tree中的一部分因為元素的規(guī)模尺寸，布局，隱藏等改變而需要重新構建。這就稱為回流(reflow)。

每個頁面至少需要一次回流，就是在頁面第一次加載的時候。

在回流的時候，瀏覽器會使渲染樹中受到影響的部分失效，并重新構造這部分渲染樹，完成回流后，瀏覽器會重新繪制受影響的部分到屏幕中，該過程成為重繪。

當render tree中的一些元素需要更新屬性，而這些屬性只是影響元素的外觀，風格，而不會影響布局的，比如background-color。就叫稱為重繪。

本篇文章的最后，留下一道思考題：減少重繪/重排能優(yōu)化Web性能嗎？如何能減少重繪/重排？

參考資料

https://www.cnblogs.com/jianjie/p/13229789.html
https://zhuanlan.zhihu.com/p/26105913
瀏覽器工作原理與實踐
https://segmentfault.com/a/1190000018811208

總結

以上就是今天要講的內(nèi)容，本文簡單介紹了Chrome瀏覽器的渲染原理流程。如果你覺得這篇文章對你有幫助的話，也歡迎把它分享給更多的朋友。

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