浏览器渲染原理
浏览器如何渲染页面
什么是渲染
- 在浏览器这个语境下, 渲染的定义就是把 html字符串 解析为 像素信息, 然后绘制到屏幕上
- 当我们使用网址打开一个网页, 实际上拿到的就是一个HTML字符串, CSS和JS也包含在其中, 浏览器要经过一系列复杂的工作, 才能把这个HTML字符串解析为一个个具体像素信息, 然后交由 GPU, 最终绘制在屏幕上
- 如果用一个函数表达渲染, 就是这样子
function render(HTML) {// 第一行: 第1个像素点什么颜色 第2个像素点什么颜色 // 第二行: 第1个像素点什么颜色 第2个像素点什么颜色 // ... ... return pixels;
}渲染的时间点
从输入URL按回车到页面展示, 浏览器主要做两件事, 一是通过网络拿到资源, 二是解析资源渲染页面
渲染流水线
整个渲染流程分为多个阶段，分别是: HTML 解析、样式计算、布局、分层、绘制、分块、光栅化、画
每个阶段都有明确的输入输出，上一个阶段的输出会成为下一个阶段的输入。
这样，整个渲染流程就形成了一套组织严密的生产流水线。
阶段1: 解析HTML - (ParseHTML)
- 该阶段做了什么事?
- 输入: HTML字符串
- 输出: 输出两棵树, DOM树和CSSOM树
- 了解DOM树 (Document Object Model)
- 什么是DOM树: 根据HTML文档生成的树形数据结构。
- 为什么需要DOM树: 字符串极难操作, 对象结构容易操作
- 了解CSSOM树 (CSS Object Model)
- 什么是CSSOM树: 根据CSS样式表生成的树形数据结构。
- CSS样式表有哪些?
- <style>内联样式表
- <link>外联样式表
- <div style=""> 行内样式表
- 浏览器默认样式表
- 为什么需要CSSOM树:
- 字符串极难操作, 对象结构容易操作
- 除了默认样式表, JS可以操作任何样式表
- HTML解析过程中遇到CSS代码怎么办?
- 为了提高解析效率，浏览器会启动一个预解析器率先下载和解析CSS
- 所以CSS的代码不会影响HTML的解析
- HTML解析过程中遇到JS代码怎么办?
- 渲染主线程遇到 JS 时必须暂停一切行为，等待下载执行完后才能继续
- 预解析线程可以分担一点下载 JS 的任务
- 但是JS文件的执行必须在渲染主线程完成
阶段2: 样式计算-(Recalculate Style)
- 该阶段做了什么事?
遍历DOM树, 确定每个节点的最终样式, 这一步完成后，会得到一棵带有样式的 DOM 树
- CSS属性值的计算过程
- 确定声明值: 声明值就是自己写的 CSS 样式
- 层叠冲突: 解决样式冲突问题
- 比较源: 页面作者样式 > 用户样式 > 用户代理样式
- 比较优先级: 继承<通配符选择器<标签选择器<类选择器<id选择器<行内样式<！important
- 比较次序: 下面的样式覆盖上面的样式
- 使用继承: 减少重复代码, 让页面效果的一致性更好
- 使用默认值:
- 一个 HTML 元素要在浏览器中渲染出来，必须具备所有的 CSS 属性值
- 什么是最终样式?
- 一个元素具备所有的css属性值, 并且是绝对单位
阶段3: 布局 - (Layout)
- 该阶段做了什么事?
- 根据样式计算出每个节点的几何信息(包括位置和尺寸), 得到布局树
- 这一阶段 得到的结果是简单的, 但是计算的过程很复杂
- 视觉格式化模型
- 盒模型: 元素尺寸的计算方式
- 包含块: 决定元素的活动区域
- DOM树和布局树不一定是一一对应的
w3c规定:
- 内容必须在行盒中
- 行盒和块盒不能相邻
- 元素(行内元素/块级元素 )属于HTML中的概念
- 盒子(行盒/块盒)属于CSS中的概念
- 盒子的类型由CSS决定
- HTML只提供语义化
阶段4: 分层 - (Layer)
- 该阶段做了什么事?
- 略对整个布局树中进行分层
- 分层的好处在于，将来某一个层改变后，仅会对该层进行后续处理，从而提升效率。
- 查看分层结果
- 堆叠上下文相关属性
- z-index
- opacity
- transform
- will-change
// 假设container这个盒子会频繁变化(transform)
// 所以我希望这个盒子分层, 以减少页面的重绘
// 注意该属性不要乱用, 而且是否分层最终还是就浏览器自己决定
<style>
.container {will-change: transform;
}
</style><body><div class="container"></div>
</body>
阶段5: 绘制 - (Paint)
这⾥的绘制，是为每⼀层⽣成如何绘制的指令
绘制指令大概长这样:
1.将画笔移动到 10,30 的位置
2.画一个 200*300 的矩形
3.用红色填充矩形整个过程类似canvas的使用
canvas调用的就是浏览器内核提供的"绘制"功能渲染主线程的⼯作到此为⽌，剩余步骤交给其他线程完成
阶段6: 分块 - (Tiling)
分块会将每⼀层分为多个⼩的区域
分块的⼯作是交给多个线程同时进⾏的
阶段7: 光栅化 - (Raster )
光栅化是将每个块变成位图 (位图在内存中就是一个二维数组, 记录某块区域中每个像素点的信息)
优先处理靠近视⼝的块
此过程会⽤到 GPU 加速, GPU应对简单重复大量的任务非常有优势
阶段8: 画 - (Draw)
合成线程计算出每个位图在屏幕上的位置，交给 GPU 进⾏最终呈现
完整过程
关键步骤:
- 解析HTML, 生成DOM树和CSSOM树
- 计算样式, 让每个DOM节点都有最终样式
- 布局, 计算每个DOM节点的几何信息, 布局树和DOM树并不一样
- 分层, 为了提高渲染效率, 把页面分为几个图层, 每个图层单独绘制
- 产生绘制指令, 确定每一层的绘制步骤, 然后把绘制指令交给合成线程进行分块操作
- 分块就是把每个图层的绘制指令切割为小块的执行单元, 分块完成后进行光栅化
- 光栅化就是把一块绘制指令转成一块位图信息, 优先处理靠近视⼝的块
- 最后把光栅化完成的块交给GPU绘制到屏幕上
面试题
浏览器是如何渲染页面的?
- 当浏览器的网络线程收到 HTML 文档后，会产生一个渲染任务，并将其传递给渲染主线程的消息队列。
- 在事件循环机制的作用下，渲染主线程取出消息队列中的渲染任务，开启渲染流程。
- 整个渲染流程分为多个阶段，分别是: HTML 解析、样式计算、布局、分层、绘制、分块、光栅化、画
- 每个阶段都有明确的输入输出，上一个阶段的输出会成为下一个阶段的输入。
- 这样，整个渲染流程就形成了一套组织严密的生产流水线。
渲染的第一步是解析 HTML。
- 解析过程中遇到 CSS 解析 CSS，遇到 JS 执行 JS。为了提高解析效率，浏览器在开始解析前，会启动一个预解析的线程，率先下载 HTML 中的外部 CSS 文件和 外部的 JS 文件。
- 如果主线程解析到 link 位置，此时外部的 CSS 文件还没有下载解析好，主线程不会等待，继续解析后续的HTML。这是因为下载和解析 CSS 的工作是在预解析线程中进行的。这就是CSS不会阻塞 HTML 解析的根原因。
- 如果主线程解析到 script 位置，会停止解析 HTML，转而等待 JS 文件下载好，并将全局代码解析执行完成后，才能继续解析 HTML。这是因为JS代码的执行过程可能会修改当前的 DOM 树，所以 DOM 树的生成必须暂停。这就是 JS 会阻寨 HTML解析的根本原因。
- 第一步完成后，会得到 DOM 树和 CSSOM 树，浏览器的默认样式、内部样式、外部样式、行内样式均会包含在CSSOM 树中。
渲染的下一步是样式计算。
- 主线程会遍历得到的 DOM 树，依次为树中的每个节点计算出它最终的样式，称之为Computed Style。
- 在这一过程中，很多预设值会变成绝对值，比如red会变成rgb(255,0,0); 相对单位会变成绝对单位，比如 em 会变成 px
- 这一步完成后，会得到一棵带有样式的 DOM 树。
接下来是布局，布局完成后会得到布局树。
- 布局阶段会依次遍历 DOM 树的每一个节点，计算每个节点的几何信息。例如节点的宽高、相对包含块的位置
- 大部分时候，DOM 树和布局树并非一一对应。
- 比如 display:none 的节点没有几何信息，因此不会生成到布局树;
- 又比如使用了伪元素选择器，虽然 DOM树中不存在这些伪元素节点，但它们拥有几何信息，所以会生成到布局树中。
- 还有匿名行盒、匿名块盒等等都会导致 DOM 树和布局树无法一一对应
下一步是分层
- 主线程会使用一套复杂的策略对整个布局树中进行分层。
- 分层的好处在于，将来某一个层改变后，仅会对该层进行后续处理，从而提升效率。
- 滚动条、堆叠上下文、transform、opacity 等样式都会或多或少的影响分层结果，也可以通过 will-change 属性更大程度的影响分层结果。
再下一步是绘制
- 主线程会为每个层单独产生绘制指令集，用于描述这一层的内容该如何画出来。
- 完成绘制后，主线程将每个图层的绘制信息提交给合成线程，剩余工作将由合成线程完成
再下一步是分块
- 合成线程首先对每个图层进行分块，将其划分为更多的小区域。
- 它会从线程池中拿取多个线程来完成分块工作。
分块完成后，进入光栅化阶段
- 合成线程会将块信息交给 GPU进程，以极高的速度完成光栅化。
- GPU 进程会开启多个线程来完成光栅化，并且优先处理靠近视口区域的块。
- 光栅化的结果，就是一块一块的位图
最后一个阶段就是画
- 合成线程拿到每个层、每个块的位图后，生成一个个「指引(quad)」信息。
- 指引会标识出每个位图应该画到屏幕的哪个位置，以及会考虑到旋转、缩放等变形。
- 变形发生在合成线程，与渲染主线程无关，这就是 transform 效率高的本质原因。
- 合成线程会把 quad 提交给 GPU 进程，由 GPU 进程产生系统调用，提交给 GPU 硬件，完成最终的屏幕成
常见面试题
什么是reflow(重排)
- reflow 的本质就是重新计算 layout 树。
- 当进行了会影响布局树的操作后，需要重新计算布局树，会引发layout。
- 为了避免连续的多次操作导致布局树反复计算，浏览器会合并这些操作，当JS 代码全部完成后再进行统一计算。所以，改动属性造成的 reflow 是异步完成的。
- 也同样因为如此，当 JS 获取布局属性时，就可能造成无法获取到最新的布局信息。
- 浏览器在反复权衡下，最终决定获取属性立即 reflow。
什么是repaint(重绘)
- repaint 的本质就是重新根据分层信息计算了绘制指令。
- 当改动了可见样式后，就需要重新计算，会引发repaint。
- 由于元素的布局信息也属于可见样式，所以reflow 一定会引起 repaint。
transform为什么效率高?
- 变形发生在合成线程，与渲染主线程无关，这就是 transform 效率高的本质原因。
- 案例1
<!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>.ball {width: 100px;height: 100px;background: #f40;border-radius: 50%;margin: 30px;}.ball1 {animation: move1 1s alternate infinite ease-in-out;}.ball2 {position: fixed;left: 0;animation: move2 1s alternate infinite ease-in-out;}@keyframes move1 {to {transform: translate(100px);}}@keyframes move2 {to {left: 100px;}}</style></head><body><button id="btn">死循环</button><div class="ball ball1"></div><div class="ball ball2"></div><script>function delay(duration) {var start = Date.now();while (Date.now() - start < duration) {}}btn.onclick = function () {delay(5000);};</script></body>
</html>
- 点击死循环按钮后, ball1小球不受影响, ball2小球会卡死5s
- 原因就在于 ball1小球使用 transform属性 实现的位移, 不受渲染主线影响
- ball2小球使用定位实现的动画, 会有重排和重绘的过程, 受渲染主线影响
- 执行流程
- 案例2:
<!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></head><body><button id="btn">死循环</button><p>Lorem ipsum, dolor sit amet consectetur adipisicing elit. Commodi omnisdoloribus in corporis optio enim quia, delectus sit esse iste asperioressaepe placeat exercitationem? Ullam, unde vel? Molestiae a debitis facerenisi reiciendis deleniti? Adipisci eveniet beatae cupiditate numquam non?Quia excepturi consectetur officia autem eos, architecto iste veritatisreprehenderit quas velit optio? Vero sint ullam natus voluptatibus,voluptate dolorem, pariatur eaque ab quibusdam sapiente facereperspiciatis qui consectetur numquam delectus omnis! Ipsam doloremperspiciatis ex? Ipsum minima eius aliquam, tempora amet natus possimus.Eveniet a necessitatibus officiis, veritatis molestias sunt neque quaerateum dolores reiciendis voluptatum ex omnis repellat? 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Eveniet earum voluptates, voluptatibus vel omnis molestias magnamtotam minima natus obcaecati eum consequuntur blanditiis atque, sunt vitaeconsequatur, reprehenderit fuga in qui. Assumenda voluptate doloremcorrupti ratione quibusdam natus eum fugiat obcaecati nam, eligendiaccusantium error fugit id similique non voluptas, at animi aliquamquaerat velit! Natus, molestiae repudiandae alias, consequuntur cum idnam, sit porro dolore recusandae soluta. Neque perspiciatis quam ullamerror soluta iusto eaque facilis nihil fuga laudantium, consectetur saepe.Dolores repudiandae quas soluta quos vero. Illum aspernatur hic ex sitassumenda. Distinctio, officiis deserunt. Nostrum enim illo quas, possimusquaerat minus est repudiandae rem nisi a natus molestias assumenda vitaedolorem accusamus libero, quidem voluptatem molestiae consequuntur magnidolor ratione quisquam. Ex eveniet porro laborum quod quidem, iustocorporis aliquid esse voluptatibus, maiores vero deserunt exercitationemmolestiae. Dolor id doloribus sequi laudantium nam sapiente nostrum.Molestias veniam minus quo ea sint beatae quidem repellendus, dignissimos,culpa quod cum corporis quibusdam vero, totam et! Praesentium laborumexplicabo, cum recusandae quasi eaque aperiam fugiat aliquam amet omnisdelectus officia quod cupiditate? Voluptates consectetur natus, iste quoquisquam dolores. Fugiat modi nobis hic dolorum doloribus maxime velitmaiores voluptatibus, atque perspiciatis soluta, sit impedit pariatur estipsa harum illo voluptates minus facilis laboriosam eveniet laudantium.Veniam placeat, ullam eveniet commodi voluptas ab doloribus cumquesapiente corrupti illo maxime, aut quas nemo, obcaecati nesciuntvoluptatem exercitationem expedita tempora dolor laboriosam magnam eummolestias? Totam vel sapiente ipsam esse veritatis sequi, ipsum quasireprehenderit tempora sint fuga rerum in voluptatibus, placeat nesciunt.Beatae sapiente laboriosam eaque aut saepe temporibus nisi consecteturaccusantium veniam? Quia amet odit commodi iusto cumque est consequaturnemo sit, repellat magni, possimus reiciendis ipsum veniam cupiditate ipsaullam omnis? Perferendis, eligendi? Inventore unde illum dolore culpaeaque et ab quia dolores officiis repudiandae, dolorem quaerat dictaquidem, quibusdam officia voluptatum dignissimos. Dolorum vitae sit magnideserunt mollitia quasi, hic minus, ullam atque explicabo corruptilaudantium minima consectetur? Modi quia totam deserunt perferendis minusplaceat cupiditate quam, expedita itaque quod facilis debitis quaerat enimamet ipsam saepe rem consectetur, voluptates perspiciatis reiciendisprovident voluptate et quos. Minima, voluptates sequi voluptatibusdeserunt, alias vel distinctio minus quam fugiat itaque pariatur saepelaborum ipsum quasi iusto nam! Excepturi dolorum laudantium ut doloremque,sunt accusamus omnis qui facilis quia consequuntur repellendus autpossimus iure molestias quaerat nulla pariatur architecto error voluptatumeaque nihil! Quis ipsum temporibus neque consequatur reprehenderit,tempora iste necessitatibus! Qui repellat animi necessitatibus repellendusdicta nobis praesentium culpa, quisquam quasi similique. Amet ex illonobis sequi expedita soluta repellendus numquam praesentium a animi,perspiciatis debitis mollitia aut eveniet voluptas voluptatibus nam.Incidunt et quibusdam reprehenderit dolore a ex id officia minima beatae,qui minus excepturi distinctio magnam, quae delectus amet! Ipsamlaboriosam voluptates animi. Similique molestiae at placeat officia utducimus totam facilis laboriosam. Maxime quam, accusantium nulla quibusdammolestiae perferendis velit, natus eligendi aliquam alias maioresinventore culpa, autem error! Doloremque perspiciatis voluptatibus,repellendus, esse consectetur iure neque non cupiditate et blanditiis nemoeius excepturi repellat. Illum rerum, ipsum quidem temporibus vero adperferendis nemo nesciunt? Repellendus atque fugiat repellat ut saepemagni ex molestiae provident facere, explicabo laudantium, doloremqueinventore accusamus voluptates temporibus ipsa, iure dolores. Sapiente?</p><script>function delay(duration) {var start = Date.now();while (Date.now() - start < duration) {}}btn.onclick = function () {delay(5000);};</script></body>
</html>
- 点击死循环按钮后, 页面都是无响应的
- 但是滚动条滚动, 只需要在合成线程中重新画一下页面, 不经过主线程处理
- 所以滚动条不会收到影响