浏览器运行机制详解

前言

大家肯定都听说过很多浏览器优化原则吧，例如说减少DOM操作，使用transformX（0）进行硬件优化，避免js文件执行时间过长使得页面卡顿等等。大部分人可能都知道，但也仅限于知道，即知其然，不知其所以然。

学习要形成自己的知识体系，否则的话，往往是东一榔头西一榔头地学习知识，这样导致学习到的知识松散，无法形成内在的联系，也就导致了学习地不够深入，只是浮于表面，只是“记住”了知识。

所以，接下来，我想来为大家梳理一下浏览器运行过程中需要理解的知识，如下：

前言
进程与线程
浏览器进程
- 浏览器都有哪些进程
- 浏览器内核（renderer进程）
- html解析
- css解析
- render树
- 回流与重绘
  - 什么时候会发生回流与重绘
  - 具体什么操作会引起回流
  - 如何减少回流
- 硬件加速
  - 如何才能使用硬件加速
  - 硬件加速使用z-index
- 浏览器页面的渲染流程
- DOMContentLoaded和load事件
- css堵塞情况
- js堵塞情况
- css和js文件应当放在html哪个位置
- 事件循环机制
- 宏任务和微任务
- 导致页面无法响应的原因
- html文件解析过程
参考链接

# 进程与线程

可以这样理解：

- 进程是一个工厂，每个工厂有其独立的资源。

- 线程是工厂中的工人，可能只有一个，可能有好多个。多个工人协同完成工作。工人共享工作资源。

回到硬件上来理解：

- 工厂的资源 -> 系统分配的内存。

- 工厂之间相互独立 -> 进程之间相互独立，也即进程分配到的内存相互独立，无法读到对方内存中的数据。

- 一个工厂有一个或多个工人 -> 一个线程中有一个或多个线程。

- 多个工人协同完成工作 -> 进程中多个线程协同完成工作。即线程之间能互相发送请求与接收结果。

- 工人共享工作资源 -> 进程中所有线程都能访问到相同一块内存，即信息是互通的。

不过在这里要强调一点：**一个软件不等于一个进程，一个软件可能包含有多个互相独立的进程。**

最后，再用官方的术语描述下进程与线程的差别

- 进程是系统资源分配的最小单位（即系统以进程为最小单位分配内存空间，同时进程是能独立运行的最小单位）

- 线程是系统调度的最小单位（即系统以线程为单位分配cpu中的核。）
tips：
- 进程之间也能互相通信，不过代价比较大。

浏览器进程

首先，明确的是：浏览器是多线程的。

以Chrome浏览器为例：

大家有兴趣的话，也可以打开Chrome的任务管理器测试。由图可知，Chrome中有多个进程（每个tab页面对应一个进程，以及Browser进程，GPU进程和插件进程）。

## 浏览器都有哪些进程

浏览器中的进程分别是：

- Browser进程 : 是浏览器的主进程，负责主控，协调，只有一个，可以看做是浏览器的大脑。 - 负责下载页面的网络文件 - 负责将renderer进程得到的存在内存中的位图渲染（显示）到页面上 - 负责创建和销毁tab进程（renderer进程） - 负责与用户的交互 - GPU进程：只有一个。 - 负责3D绘制，只有当该页面使用了硬件加速才会使用它，来渲染（显示）页面。否则的话，不使用这个进程，而是用Browser进程来渲染（显示）页面 - renderer进程：又名浏览器内核，每个tab页面对应一个独立的renderer进程，内部有多个线程。 - 负责脚本执行，位图绘制，事件触发，任务队列轮询等 - 第三方插件进程：每种类型的插件对应一个进程。
浏览器是多进程的好处非常明显，**如果浏览器是单线程的话，则一个页面，一个插件的崩溃会导致整个浏览器崩溃，用户体验感会非常差。**
## 浏览器内核（renderer进程）

，弄懂了这一部分的知识，那么你对一个网页的运行机制也就能有个框架了。

renderer进程是多线程的，以下是各个线程的名称及作用（仅列举常驻线程）：

- js引擎线程： - 也称js内核，解析js脚本，执行代码 - 与GUI线程互斥，即当js引擎线程运行时，GUI线程会被挂起，当js引擎线程结束运行时，才会继续运行GUI线程 - 由一个主线程和多个web worker线程组成，由于web worker是附属于主线程，无法操作dom等，所以js还是单线程语言（在主线程运行js代码） - GUI渲染线程： - 用于解析html为DOM树，解析css为CSSOM树，布局layout，绘制paint - 当页面需要重排reflow，重绘repaint时，使用该线程 - 与js引擎线程互斥 - 事件触发线程 - 当对应事件触发（不论是WebAPIs完成事件触发，还是页面交互事件触发）时，该线程会将事件对应的回调函数放入callback queue（任务队列）中，等待js引擎线程的处理 - 定时触发线程 - 对应于setTimeout，setInterval API，由该线程来计时，当计时结束，将事件对应的回调函数放入任务队列中 - 当setTimeout的定时的时间小于4ms，一律按4ms来算 - http请求线程 - 每有一个http请求就开一个该线程 - 当检测到状态变更的话，就会产生一个状态变更事件，如果该状态变更事件对应有回调函数的话，则放入任务队列中 - 任务队列轮询线程 - 用于轮询监听任务队列，以知道任务队列是否为空
想必大家对renderer进程里的组成及职能有个大概的认知了，接下来，我们会着重于细节来进行研究。
## html解析

html解析包含有一系列的步骤，过程为Bytes -> Characters -> Tokens -> Nodes -> DOM。最终将html解析为DOM树。

假设有一html页面，代码如下：

<html>
  <head>
    <meta name="viewport" content="width=device-width,initial-scale=1">
    <link href="style.css" rel="stylesheet">
    <title>Critical Path</title>
  </head>
  <body>
    <p>Hello <span>web performance</span> students!</p>
    <div><img src="awesome-photo.jpg"></div>
  </body>
</html>

处理过程如下：

最终生成的DOM树：

## css解析

与html解析类似，他解析最终形成CSSOM树，过程为Bytes -> Characters -> Tokens -> Nodes -> CSSOM。

假设css代码如下：

body { font-size: 16px }
p { font-weight: bold }
span { color: red }
p span { display: none }
img { float: right }

得到的CSSOM为：

render树

由DOM树与CSS树结合形成的渲染树（其中无法显示的元素，如script，head元素或diplay：none的元素，不会在渲染树中，也就最终不会被渲染出来），页面的布局，绘制都是以render树为依据。

由以上的DOM树与CSSOM树，最终得到的渲染树如下：

## 回流与重绘

在此之前，我们先明确另外两个概念：布局与绘制。

- 布局是页面首次加载时进行的操作，重新布局即为回流。

- 绘制是页面首次加载时进行的操作，重新绘制即为重绘。

什么时候会发生回流和重绘呢：

- 当页面的某部分元素发生了尺寸、位置、隐藏发生了改变，页面进行回流。得对整个页面重新进行布局计算，将所有尺寸，位置受到影响的元素回流。 - 当页面的某部分元素的外观发生了改变，但尺寸、位置、隐藏没有改变，页面进行重绘。（同样，只重绘部分元素，而不是整个页面重绘）
**回流的同时往往会伴随着重绘，重绘不一定导致回流。**所以回流导致的代价是大于重绘的。

如果大家对这两者的差别还不是很清楚的话，我引用这两张图给大家：

回流

重绘

那么具体什么操作会引起回流呢：

- 页面初始化渲染 - 窗口的尺寸变化 - 元素的尺寸、位置、隐藏变化 - DOM结构发生变化，如删除节点 - 获取某些属性，引发回流 - 很多浏览器会对回流进行优化，一定时间段后或数量达到阕值时，做一次批处理回流。 - 当获取一些属性时，浏览器为了返回正确的值也会触发回流，导致浏览器优化无效，有： 1. offset（top/bottom/left/right） 2. client (top/bottom/left/right) 3. scroll (top/bottom/left/right) 4. getComputedStyle() 5. width,height - 其次，字体大小修改及内容更新也会导致回流
频繁的回流与重绘会导致频繁的页面渲染，导致cpu或gpu过量使用，使得页面卡顿。

那么如何减少回流呢：

1. 减少逐项更改样式，最好一次性更改style，或是将更改的样式定义在class中并一次性更新 2. 避免循环操作DOM，而是新建一个节点，在他上面应用所有DOM操作，然后再将他接入到DOM中 3. 当要频繁得到如offset属性时，只读取一次然后赋值给变量，而不是每次都获取一次 4. 将复杂的元素绝对定位或固定定位，使他脱离文档流，否则回流代价很高 5. 使用硬件加速创建一个新的复合图层，当其需要回流时不会影响原始复合图层回流
## 硬件加速

我们在未开启硬件加速的时候是使用cpu来渲染页面，只有开启了硬件加速了，才会使用到GPU渲染页面。

在详细讲解硬件加速前，我们先来讲解一下简单图层和复合图层

- DOM中的每个结点对应一个简单图层 - 复合图层是各个简单图层的合并，一个页面一般来说只有一个复合图层，无论你创建了多少个元素，都是在这个复合图层中 - 其次，absolute、fixed布局，可以使该元素脱离文档流，但还是在这个复合图层中，所以他还是会影响复合图层的绘制，但不会影响重排
**当一个元素使用硬件加速后，会生成一个新的复合图层**，这样不管其如何变化，都不会影响原复合图层。不过不要大量使用硬件加速，会导致资源消耗过度，导致页面也卡。

所以，使用了硬件加速后，会有多个复合图层，然后多个复合图层互相独立，单独布局、绘制。

如何才能使用硬件加速；

1. translate3d,translateZ
2. opacity属性
### 硬件加速时请使用z-index

具体原理是这样的：

当一个元素使用了硬件加速，在其后的元素，若z-index比他大或者相同，且absolute或fixed的属性相同，则默认为这些元素也创建各自的复合图层。

所以我们人为地为这个元素添加z-index值，从而避免这种情况

## 浏览器页面的渲染流程

经过以上的学习，我们可以清楚浏览器的渲染过程了：

1. 解析html得到DOM树

2. 解析css得到CSS树

3. 合并得到render树

4. 布局，当页面有元素的尺寸、大小、隐藏有变化或增加、删除元素时，重新布局计算，并修改页面中所有受影响的部分

5. 绘制，当页面有元素的外观发生变化时，重新绘制

6. GUI线程将得到的各层的位图（每个元素对应一个普通图层）发送给Browser进程，由Browser进程将各层合并，渲染在页面上

DOMContentLoaded和load事件

这两者的差别，由其定义就可知：

- DOMContentLoaded：当DOM加载完成触发

- load：当DOM，样式表，脚本都加载完时触发

所以可以知道，**DOMContentLoaded在load之前触发**
### css的堵塞情况

首先，是在Browser进程中下载css文件，当下载完成后，发送给GUI线程。

其次，是在GUI线程中解析html及css，不过这两者是并行的。

由于css的下载和解析不会影响DOM树，所以不会堵塞html文件的解析，但会堵塞页面渲染。

这样的设计是非常合理的，如果css文件的下载和解析不会堵塞页面渲染，那么在页面渲染的途中或结束后发现元素样式有变化，则又需要回流和重绘。

### js的堵塞情况

明确的是，js文件的下载和解析执行都会堵塞html文件的解析及页面渲染。

因为js脚本可能会改变DOM结构，若是其不堵塞html文件的解析及页面渲染的话，那么当js脚本改变DOM结构或元素样式时，会引发回流和重绘，会造成不必要的性能浪费，不如等待js执行完，在进行html解析和页面渲染。

如果你不想js堵塞的话，则使用async属性，这样就可以异步加载js文件，加载完成后立即执行。

### css和js文件应当放在html哪个位置

js：

当需要在DOM树完成之前用js进行初始化操作的话，在head中使用js。

如果是需要在DOM树形成之后，即要操作DOM，则在body元素的末尾。不过也可以使用load事件。

如果js的内容比较小，则推荐使用内部js而不是引用js，这样可以减少http请求。

**css：**

一般放在head中，因为css的解析不影响html的解析，所以越早引入，越早同时解析。

## 事件循环机制

事件循环机制在我的这篇文章有详细的说明：https://www.cnblogs.com/caiyy/p/10362247.html

总结一句话：

事件循环机制的核心是事件触发线程，由于执行栈产生异步任务，异步任务完成后事件触发线程将其回调函数传入到任务队列中，当执行栈为空，任务队列将队列头的回调函数入执行栈，从而新的一轮循环开始。这就是称为循环的原因。

### 宏任务和微任务

宏任务（macrotask）：

- 主代码块和任务队列中的回调函数就是宏任务。

- 为了使js内部宏任务和DOM任务能够有序的执行，每次执行完宏任务后，会在下一个宏任务执行之前，对页面重新进行渲染。（宏任务 -> 渲染 -> 宏任务）

#### 微任务（microtask）：

- 在宏任务执行过程中，执行到微任务时，将微任务放入微任务队列中。

- 在宏任务执行完后，在重新渲染之前执行。

- 当一个宏任务执行完后，他会将产生的所有微任务执行完。

分别在什么场景下会产生宏任务或微任务呢：

宏任务：主代码块，setTimeout，setInterval（任务队列中的所有回调函数都是宏任务）
微任务：Promise

## 导致页面无法立即响应的原因

导致页面无法响应的原因是执行栈中还有任务未执行完，或者是js引擎线程被GUI线程堵塞。

## html文件解析过程

这个过程是在下载html文件之后，不包括网络请求过程

1. Browser进程下载html文件并将文件发送给renderer进程

2. renderer进程的GUI进程开始解析html文件来构建出DOM

3. 当遇到外源css时，Browser进程下载该css文件并发送回来，GUI线程再解析该文件，在这同时，html的解析也同时进行，但不会渲染（还未形成渲染树）

4. 当遇到内部css时，html的解析和css的解析同时进行

5. 继续解析html文件，当遇到外源js时，Browser进程下载该js文件并发送回来，此时，js引擎线程解析并执行js，因为GUI线程和js引擎线程互斥，所以GUI线程被挂起，停止继续解析html。直到js引擎线程空闲，GUI线程继续解析html。

6. 遇到内部js也是同理

7. 解析完html文件，形成了完整的DOM树，也解析完了css，形成了完整的CSSOM树，两者结合形成了render树

8. 根据render树来进行布局，若在布局的过程中发生了元素尺寸、位置、隐藏的变化或增加、删除元素时，则进行回流，修改

9. 根据render树进行绘制，若在布局的过程中元素的外观发生变换，则进行重绘

10. 将布局、绘制得到的各个简单图层的位图发送给Browser进程，由它来合并简单图层为复合图层，从而显示到页面上

11. 以上步骤就是html文件解析全过程，完成之后，如若当页面有元素的尺寸、大小、隐藏有变化时，重新布局计算回流，并修改页面中所有受影响的部分，如若当页面有元素的外观发生变化时，重绘

(完)