你不知道的瀏覽器頁面渲染機(jī)制
原創(chuàng)【51CTO.com原創(chuàng)稿件】】瀏覽器的內(nèi)核是指支持瀏覽器運(yùn)行的最核心的程序，分為兩個(gè)部分的，一是渲染引擎，另一個(gè)是JS引擎。渲染引擎在不同的瀏覽器中也不是都相同的。目前市面上常見的瀏覽器內(nèi)核可以分為這四種：Trident(IE)、Gecko(火狐)、Blink(Chrome、Opera)、Webkit(Safari)。這里面大家最耳熟能詳?shù)目赡芫褪?Webkit 內(nèi)核了，Webkit 內(nèi)核是當(dāng)下瀏覽器世界真正的霸主。 本文我們就以 Webkit 為例，對(duì)現(xiàn)代瀏覽器的渲染過程進(jìn)行一個(gè)深度的剖析。
頁面加載過程
在介紹瀏覽器渲染過程之前，我們簡明扼要介紹下頁面的加載過程，有助于更好理解后續(xù)渲染過程。
要點(diǎn)如下：
- 瀏覽器根據(jù) DNS 服務(wù)器得到域名的 IP 地址
- 向這個(gè) IP 的機(jī)器發(fā)送 HTTP 請(qǐng)求
- 服務(wù)器收到、處理并返回 HTTP 請(qǐng)求
- 瀏覽器得到返回內(nèi)容
例如在瀏覽器輸入https://juejin.im/timeline，然后經(jīng)過 DNS 解析，juejin.im對(duì)應(yīng)的 IP 是36.248.217.149(不同時(shí)間、地點(diǎn)對(duì)應(yīng)的 IP 可能會(huì)不同)。然后瀏覽器向該 IP 發(fā)送 HTTP 請(qǐng)求。
服務(wù)端接收到 HTTP 請(qǐng)求，然后經(jīng)過計(jì)算(向不同的用戶推送不同的內(nèi)容)，返回 HTTP 請(qǐng)求，返回的內(nèi)容如下：
其實(shí)就是一堆 HMTL 格式的字符串，因?yàn)橹挥?HTML 格式瀏覽器才能正確解析，這是 W3C 標(biāo)準(zhǔn)的要求。接下來就是瀏覽器的渲染過程。
瀏覽器渲染過程
瀏覽器渲染過程大體分為如下三部分：
(1)瀏覽器會(huì)解析三個(gè)東西：
- 一是HTML/SVG/XHTML，HTML字符串描述了一個(gè)頁面的結(jié)構(gòu)，瀏覽器會(huì)把HTML結(jié)構(gòu)字符串解析轉(zhuǎn)換DOM樹形結(jié)構(gòu)。
- 二是CSS，解析CSS會(huì)產(chǎn)生CSS規(guī)則樹，它和DOM結(jié)構(gòu)比較像。
- 三是Javascript腳本，等到Javascript 腳本文件加載后， 通過 DOM API 和 CSSOM API 來操作 DOM Tree 和 CSS Rule Tree。
(2)解析完成后，瀏覽器引擎會(huì)通過DOM Tree 和 CSS Rule Tree 來構(gòu)造 Rendering Tree。
- Rendering Tree 渲染樹并不等同于DOM樹，渲染樹只會(huì)包括需要顯示的節(jié)點(diǎn)和這些節(jié)點(diǎn)的樣式信息。
- CSS 的 Rule Tree主要是為了完成匹配并把CSS Rule附加上Rendering Tree上的每個(gè)Element。也就是DOM結(jié)點(diǎn)。也就是所謂的Frame。
- 然后，計(jì)算每個(gè)Frame(也就是每個(gè)Element)的位置，這又叫l(wèi)ayout和reflow過程。
(3)最后通過調(diào)用操作系統(tǒng)Native GUI的API繪制。
接下來我們針對(duì)這其中所經(jīng)歷的重要步驟，一一詳細(xì)闡述。
構(gòu)建DOM
瀏覽器會(huì)遵守一套步驟將HTML 文件轉(zhuǎn)換為 DOM 樹。宏觀上，可以分為幾個(gè)步驟：
- 瀏覽器從磁盤或網(wǎng)絡(luò)讀取HTML的原始字節(jié)，并根據(jù)文件的指定編碼(例如 UTF-8)將它們轉(zhuǎn)換成字符串。
在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)膬?nèi)容其實(shí)都是 0 和 1 這些字節(jié)數(shù)據(jù)。當(dāng)瀏覽器接收到這些字節(jié)數(shù)據(jù)以后，它會(huì)將這些字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字符串，也就是我們寫的代碼。
- 將字符串轉(zhuǎn)換成Token，例如：、等。Token中會(huì)標(biāo)識(shí)出當(dāng)前Token是“開始標(biāo)簽”或是“結(jié)束標(biāo)簽”亦或是“文本”等信息。
這時(shí)候你一定會(huì)有疑問，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系如何維護(hù)?
事實(shí)上，這就是Token要標(biāo)識(shí)“起始標(biāo)簽”和“結(jié)束標(biāo)簽”等標(biāo)識(shí)的作用。例如“title”Token的起始標(biāo)簽和結(jié)束標(biāo)簽之間的節(jié)點(diǎn)肯定是屬于“head”的子節(jié)點(diǎn)。
上圖給出了節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，例如：“Hello”Token位于“title”開始標(biāo)簽與“title”結(jié)束標(biāo)簽之間，表明“Hello”Token是“title”Token的子節(jié)點(diǎn)。同理“title”Token是“head”Token的子節(jié)點(diǎn)。
- 生成節(jié)點(diǎn)對(duì)象并構(gòu)建DOM
事實(shí)上，構(gòu)建DOM的過程中，不是等所有Token都轉(zhuǎn)換完成后再去生成節(jié)點(diǎn)對(duì)象，而是一邊生成Token一邊消耗Token來生成節(jié)點(diǎn)對(duì)象。換句話說，每個(gè)Token被生成后，會(huì)立刻消耗這個(gè)Token創(chuàng)建出節(jié)點(diǎn)對(duì)象。注意：帶有結(jié)束標(biāo)簽標(biāo)識(shí)的Token不會(huì)創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)對(duì)象。
接下來我們舉個(gè)例子，假設(shè)有段HTML文本：
- <html>
- <head>
- <title>Web page parsing</title>
- </head>
- <body>
- <div>
- <h1>Web page parsing</h1>
- <p>This is an example Web page.</p>
- </div>
- </body>
- </html>
上面這段HTML會(huì)解析成這樣：
構(gòu)建CSSOM
DOM會(huì)捕獲頁面的內(nèi)容，但瀏覽器還需要知道頁面如何展示，所以需要構(gòu)建CSSOM。
構(gòu)建CSSOM的過程與構(gòu)建DOM的過程非常相似，當(dāng)瀏覽器接收到一段CSS，瀏覽器首先要做的是識(shí)別出Token，然后構(gòu)建節(jié)點(diǎn)并生成CSSOM。
在這一過程中，瀏覽器會(huì)確定下每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的樣式到底是什么，并且這一過程其實(shí)是很消耗資源的。因?yàn)闃邮侥憧梢宰孕性O(shè)置給某個(gè)節(jié)點(diǎn)，也可以通過繼承獲得。在這一過程中，瀏覽器得遞歸 CSSOM 樹，然后確定具體的元素到底是什么樣式。
注意：CSS匹配HTML元素是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜和有性能問題的事情。所以，DOM樹要小，CSS盡量用id和class，千萬不要過渡層疊下去。
構(gòu)建渲染樹
當(dāng)我們生成 DOM 樹和 CSSOM 樹以后，就需要將這兩棵樹組合為渲染樹。
在這一過程中，不是簡單的將兩者合并就行了。渲染樹只會(huì)包括需要顯示的節(jié)點(diǎn)和這些節(jié)點(diǎn)的樣式信息，如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)是 display: none 的，那么就不會(huì)在渲染樹中顯示。
我們或許有個(gè)疑惑：瀏覽器如果渲染過程中遇到JS文件怎么處理?
渲染過程中，如果遇到<script>就停止渲染，執(zhí)行 JS 代碼。因?yàn)闉g覽器渲染和 JS 執(zhí)行共用一個(gè)線程，而且這里必須是單線程操作，多線程會(huì)產(chǎn)生渲染 DOM 沖突。 JavaScript的加載、解析與執(zhí)行會(huì)阻塞DOM的構(gòu)建，也就是說，在構(gòu)建DOM時(shí)，HTML解析器若遇到了JavaScript，那么它會(huì)暫停構(gòu)建DOM，將控制權(quán)移交給JavaScript引擎，等JavaScript引擎運(yùn)行完畢，瀏覽器再從中斷的地方恢復(fù)DOM構(gòu)建。
也就是說，如果你想首屏渲染的越快，就越不應(yīng)該在首屏就加載 JS 文件，這也是都建議將 script 標(biāo)簽放在 body 標(biāo)簽底部的原因。當(dāng)然在當(dāng)下，并不是說 script 標(biāo)簽必須放在底部，因?yàn)槟憧梢越o script 標(biāo)簽添加 defer 或者 async 屬性(下文會(huì)介紹這兩者的區(qū)別)。
JS文件不只是阻塞DOM的構(gòu)建，它會(huì)導(dǎo)致CSSOM也阻塞DOM的構(gòu)建。
原本DOM和CSSOM的構(gòu)建是互不影響，井水不犯河水，但是一旦引入了JavaScript，CSSOM也開始阻塞DOM的構(gòu)建，只有CSSOM構(gòu)建完畢后，DOM再恢復(fù)DOM構(gòu)建。
這是什么情況?
這是因?yàn)镴avaScript不只是可以改DOM，它還可以更改樣式，也就是它可以更改CSSOM。因?yàn)椴煌暾腃SSOM是無法使用的，如果JavaScript想訪問CSSOM并更改它，那么在執(zhí)行JavaScript時(shí)，必須要能拿到完整的CSSOM。所以就導(dǎo)致了一個(gè)現(xiàn)象，如果瀏覽器尚未完成CSSOM的下載和構(gòu)建，而我們卻想在此時(shí)運(yùn)行腳本，那么瀏覽器將延遲腳本執(zhí)行和DOM構(gòu)建，直至其完成CSSOM的下載和構(gòu)建。也就是說，在這種情況下，瀏覽器會(huì)先下載和構(gòu)建CSSOM，然后再執(zhí)行JavaScript，最后在繼續(xù)構(gòu)建DOM。
布局與繪制
當(dāng)瀏覽器生成渲染樹以后，就會(huì)根據(jù)渲染樹來進(jìn)行布局(也可以叫做回流)。這一階段瀏覽器要做的事情是要弄清楚各個(gè)節(jié)點(diǎn)在頁面中的確切位置和大小。通常這一行為也被稱為“自動(dòng)重排”。
布局流程的輸出是一個(gè)“盒模型”，它會(huì)精確地捕獲每個(gè)元素在視口內(nèi)的確切位置和尺寸，所有相對(duì)測量值都將轉(zhuǎn)換為屏幕上的絕對(duì)像素。
布局完成后，瀏覽器會(huì)立即發(fā)出“Paint Setup”和“Paint”事件，將渲染樹轉(zhuǎn)換成屏幕上的像素。
以上我們詳細(xì)介紹了瀏覽器工作流程中的重要步驟，接下來我們討論幾個(gè)相關(guān)的問題：
幾點(diǎn)補(bǔ)充說明
1. async和defer的作用是什么?有什么區(qū)別?
接下來我們對(duì)比下 defer 和 async 屬性的區(qū)別：
其中藍(lán)色線代表JavaScript加載;紅色線代表JavaScript執(zhí)行;綠色線代表 HTML 解析。
(1)情況1<script src="script.js"></script>
沒有 defer 或 async，瀏覽器會(huì)立即加載并執(zhí)行指定的腳本，也就是說不等待后續(xù)載入的文檔元素，讀到就加載并執(zhí)行。
(2)情況2<script async src="script.js"></script>(異步下載)
async 屬性表示異步執(zhí)行引入的 JavaScript，與 defer 的區(qū)別在于，如果已經(jīng)加載好，就會(huì)開始執(zhí)行——無論此刻是 HTML 解析階段還是 DOMContentLoaded 觸發(fā)之后。需要注意的是，這種方式加載的 JavaScript 依然會(huì)阻塞 load 事件。換句話說，async-script 可能在 DOMContentLoaded 觸發(fā)之前或之后執(zhí)行，但一定在 load 觸發(fā)之前執(zhí)行。
(3)情況3<script defer src="script.js"></script>(延遲執(zhí)行)
defer 屬性表示延遲執(zhí)行引入的 JavaScript，即這段 JavaScript 加載時(shí) HTML 并未停止解析，這兩個(gè)過程是并行的。整個(gè) document 解析完畢且 defer-script 也加載完成之后(這兩件事情的順序無關(guān))，會(huì)執(zhí)行所有由 defer-script 加載的 JavaScript 代碼，然后觸發(fā) DOMContentLoaded 事件。
defer 與相比普通 script，有兩點(diǎn)區(qū)別：載入 JavaScript 文件時(shí)不阻塞 HTML 的解析，執(zhí)行階段被放到 HTML 標(biāo)簽解析完成之后。 在加載多個(gè)JS腳本的時(shí)候，async是無順序的加載，而defer是有順序的加載。
2. 為什么操作 DOM 慢
把 DOM 和 JavaScript 各自想象成一個(gè)島嶼，它們之間用收費(fèi)橋梁連接。——《高性能 JavaScript》
JS 是很快的，在 JS 中修改 DOM 對(duì)象也是很快的。在JS的世界里，一切是簡單的、迅速的。但 DOM 操作并非 JS 一個(gè)人的獨(dú)舞，而是兩個(gè)模塊之間的協(xié)作。
因?yàn)?DOM 是屬于渲染引擎中的東西，而 JS 又是 JS 引擎中的東西。當(dāng)我們用 JS 去操作 DOM 時(shí)，本質(zhì)上是 JS 引擎和渲染引擎之間進(jìn)行了“跨界交流”。這個(gè)“跨界交流”的實(shí)現(xiàn)并不簡單，它依賴了橋接接口作為“橋梁”(如下圖)。
過“橋”要收費(fèi)——這個(gè)開銷本身就是不可忽略的。我們每操作一次 DOM(不管是為了修改還是僅僅為了訪問其值)，都要過一次“橋”。過“橋”的次數(shù)一多，就會(huì)產(chǎn)生比較明顯的性能問題。因此“減少 DOM 操作”的建議，并非空穴來風(fēng)。
3. 你真的了解回流和重繪嗎
我們知道，當(dāng)網(wǎng)頁生成的時(shí)候，至少會(huì)渲染一次。在用戶訪問的過程中，還會(huì)不斷重新渲染。重新渲染會(huì)重復(fù)上圖中的第四步(回流)+第五步(重繪)或者只有第五個(gè)步(重繪)。
- 重繪：當(dāng)我們對(duì) DOM 的修改導(dǎo)致了樣式的變化、卻并未影響其幾何屬性(比如修改了顏色或背景色)時(shí)，瀏覽器不需重新計(jì)算元素的幾何屬性、直接為該元素繪制新的樣式(跳過了上圖所示的回流環(huán)節(jié))。
- 回流：當(dāng)我們對(duì) DOM 的修改引發(fā)了 DOM 幾何尺寸的變化(比如修改元素的寬、高或隱藏元素等)時(shí)，瀏覽器需要重新計(jì)算元素的幾何屬性(其他元素的幾何屬性和位置也會(huì)因此受到影響)，然后再將計(jì)算的結(jié)果繪制出來。這個(gè)過程就是回流(也叫重排)
回流必定會(huì)發(fā)生重繪，重繪不一定會(huì)引發(fā)回流。重繪和回流會(huì)在我們設(shè)置節(jié)點(diǎn)樣式時(shí)頻繁出現(xiàn)，同時(shí)也會(huì)很大程度上影響性能。回流所需的成本比重繪高的多，改變父節(jié)點(diǎn)里的子節(jié)點(diǎn)很可能會(huì)導(dǎo)致父節(jié)點(diǎn)的一系列回流。
(1)常見引起回流屬性和方法
任何會(huì)改變元素幾何信息(元素的位置和尺寸大小)的操作，都會(huì)觸發(fā)回流，
- 添加或者刪除可見的DOM元素;
- 元素尺寸改變——邊距、填充、邊框、寬度和高度
- 內(nèi)容變化，比如用戶在input框中輸入文字
- 瀏覽器窗口尺寸改變——resize事件發(fā)生時(shí)
- 計(jì)算 offsetWidth 和 offsetHeight 屬性
- 設(shè)置 style 屬性的值
(2)常見引起重繪屬性和方法
(3)如何減少回流、重繪
- 使用 transform 替代 top
- 使用 visibility 替換 display: none ，因?yàn)榍罢咧粫?huì)引起重繪，后者會(huì)引發(fā)回流(改變了布局)
- 不要把節(jié)點(diǎn)的屬性值放在一個(gè)循環(huán)里當(dāng)成循環(huán)里的變量。
- for(let i = 0; i < 1000; i++) {
- // 獲取 offsetTop 會(huì)導(dǎo)致回流，因?yàn)樾枰カ@取正確的值
- console.log(document.querySelector('.test').style.offsetTop)
- }
性能優(yōu)化策略
基于上面介紹的瀏覽器渲染原理，DOM 和 CSSOM 結(jié)構(gòu)構(gòu)建順序，初始化可以對(duì)頁面渲染做些優(yōu)化，提升頁面性能。
(1)JS優(yōu)化：<script>標(biāo)簽加上 defer屬性 和 async屬性 用于在不阻塞頁面文檔解析的前提下，控制腳本的下載和執(zhí)行。
- defer屬性： 用于開啟新的線程下載腳本文件，并使腳本在文檔解析完成后執(zhí)行。
- async屬性： HTML5新增屬性，用于異步下載腳本文件，下載完畢立即解釋執(zhí)行代碼。
(2)CSS優(yōu)化： <link>標(biāo)簽的 rel屬性 中的屬性值設(shè)置為 preload 能夠讓你在你的HTML頁面中可以指明哪些資源是在頁面加載完成后即刻需要的,最優(yōu)的配置加載順序，提高渲染性能
總結(jié)
綜上所述，我們得出這樣的結(jié)論：
- 瀏覽器工作流程：構(gòu)建DOM -> 構(gòu)建CSSOM -> 構(gòu)建渲染樹 -> 布局 -> 繪制。
- CSSOM會(huì)阻塞渲染，只有當(dāng)CSSOM構(gòu)建完畢后才會(huì)進(jìn)入下一個(gè)階段構(gòu)建渲染樹。
- 通常情況下DOM和CSSOM是并行構(gòu)建的，但是當(dāng)瀏覽器遇到一個(gè)不帶defer或async屬性的script標(biāo)簽時(shí)，DOM構(gòu)建將暫停，如果此時(shí)又恰巧瀏覽器尚未完成CSSOM的下載和構(gòu)建，由于JavaScript可以修改CSSOM，所以需要等CSSOM構(gòu)建完畢后再執(zhí)行JS，最后才重新DOM構(gòu)建。
作者簡介
浪里行舟：碩士研究生，專注于前端。個(gè)人公眾號(hào)：「前端工匠」，致力于打造適合初中級(jí)工程師能夠快速吸收的一系列優(yōu)質(zhì)文章!
【51CTO原創(chuàng)稿件，合作站點(diǎn)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明原文作者和出處為51CTO.com】
