浏览器工作原理简介

一、浏览器主要构成

　　1. 用户界面 － 包括地址栏、后退/前进按钮、书签目录等，也就是你所看到的除了用来显示你所请求页面的主窗口之外的其他部分。

　　2. 浏览器引擎 － 用来查询及操作渲染引擎的接口。

　　3. 渲染引擎 － 用来显示请求的内容，例如，如果请求内容为html，它负责解析html及css，并将解析后的结果显示出来。

　　4. 网络 － 用来完成网络调用，例如http请求，它具有平台无关的接口，可以在不同平台上工作。

　　5. UI后端 － 用来绘制类似组合选择框及对话框等基本组件，具有不特定于某个平台的通用接口，底层使用操作系统的用户接口。

　　6. JS解释器 － 用来解释执行JS代码。

　　7. 数据存储 － 属于持久层，浏览器需要在硬盘中保存类似cookie的各种数据，HTML5定义了web database技术，这是一种轻量级完整的客户端存储技术

 

二、渲染引擎

　　本文所讨论的浏览器——Firefox、Chrome和Safari是基于两种渲染引擎构建的，Firefox使用Geoko——Mozilla自主研发的渲染引擎，Safari和Chrome都使用webkit。

　　Webkit是一款开源渲染引擎，它本来是为Linux平台研发的，后来由Apple移植到Mac及Windows上，相关内容请参考http://webkit.org。

　　渲染引擎首先通过网络获得所请求文档的内容，通常以8K分块的方式完成。

　　下面是渲染引擎在取得内容之后的基本流程：

　　解析html以构建dom树 -> 构建render树 -> 布局render树 -> 绘制render树

　　渲染引擎开始解析html，并将标签转化为内容树中的dom节点。接着，它解析外部CSS文件及style标签中的样式信息。这些样式信息以及html中的可见性指令将被用来构建另一棵树——render树。

　　Render树由一些包含有颜色和大小等属性的矩形组成，它们将被按照正确的顺序显示到屏幕上。

　　Render树构建好了之后，将会执行布局过程，它将确定每个节点在屏幕上的确切坐标。再下一步就是绘制，即遍历render树，并使用UI后端层绘制每个节点。

　　值得注意的是，这个过程是逐步完成的，为了更好的用户体验，渲染引擎将会尽可能早的将内容呈现到屏幕上，并不会等到所有的html都解析完成之后再去构建和布局render树。它是解析完一部分内容就显示一部分内容，同时，可能还在通过网络下载其余内容。

webkit:

Gecko:

图4：Mozilla的Geoko渲染引擎主流程

　　从图3和4中可以看出，尽管webkit和Gecko使用的术语稍有不同，他们的主要流程基本相同。Gecko称可见的格式化元素组成的树为frame树，每个元素都是一个frame，webkit则使用render树这个名词来命名由渲染对象组成的树。Webkit中元素的定位称为布局，而Gecko中称为回流。Webkit称利用dom节点及样式信息去构建render树的过程为attachment，Gecko在html和dom树之间附加了一层，这层称为内容接收器，相当制造dom元素的工厂。

三、DOM解析

HTML的DOM Tree解析如下：

<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>


上面这段HTML会解析成这样：

下面是另一个有SVG标签的情况。

 

四、CSS解析

Webkit CSS解析器（Webkit CSS parser）

　　Webkit使用Flex和Bison解析生成器从CSS语法文件中自动生成解析器。回忆一下解析器的介绍，Bison创建一个自底向上的解析器，Firefox使用自顶向下解析器。它们都是将每个css文件解析为样式表对象，每个对象包含css规则，css规则对象包含选择器和声明对象，以及其他一些符合css语法的对象。

　　

处理脚本及样式表的顺序（The order of processing scripts and style sheets）

　　脚本

　　web的模式是同步的，开发者希望解析到一个script标签时立即解析执行脚本，并阻塞文档的解析直到脚本执行完。如果脚本是外引的，则网络必须先请求到这个资源——这个过程也是同步的，会阻塞文档的解析直到资源被请求到。这个模式保持了很多年，并且在html4及html5中都特别指定了。开发者可以将脚本标识为defer，以使其不阻塞文档解析，并在文档解析结束后执行。Html5增加了标记脚本为异步的选项，以使脚本的解析执行使用另一个线程。

　　预解析（Speculative parsing）

　　Webkit和Firefox都做了这个优化，当执行脚本时，另一个线程解析剩下的文档，并加载后面需要通过网络加载的资源。这种方式可以使资源并行加载从而使整体速度更快。需要注意的是，预解析并不改变Dom树，它将这个工作留给主解析过程，自己只解析外部资源的引用，比如外部脚本、样式表及图片，也就是不会使外部脚本操作DOM树。

　　样式表（Style sheets）

　　样式表采用另一种不同的模式。理论上，既然样式表不改变Dom树，也就没有必要停下文档的解析等待它们，然而，存在一个问题，脚本可能在文档的解析过程中请求样式信息，如果样式还没有加载和解析，脚本将得到错误的值，显然这将会导致很多问题，这看起来是个边缘情况，但确实很常见。Firefox在存在样式表还在加载和解析时阻塞所有的脚本，而Chrome只在当脚本试图访问某些可能被未加载的样式表所影响的特定的样式属性时才阻塞这些脚本。

　　css解析大致过程

CSS的解析大概是下面这个样子(下面主要说的是Gecko也就是Firefox的玩法)，假设我们有下面的HTML文档：

<doc>  
<title>A few quotes</title>  
<para>  
  Franklin said that <quote>"A penny saved is a penny earned."</quote>
</para>  
<para>  
  FDR said <quote>"We have nothing to fear but <span>fear itself.</span>"</quote>
</para>  
</doc>

DOM树：

CSS文档：

/* rule 1 */ doc { display: block; text-indent: 1em; }
/* rule 2 */ title { display: block; font-size: 3em; }
/* rule 3 */ para { display: block; }
/* rule 4 */ [class="emph"] { font-style: italic; }

 

css rule tree:

注意，图中的第4条规则出现了两次，一次是独立的，一次是在规则3的子结点。所以，我们可以知道，建立CSS Rule Tree是需要比照着DOM Tree来的。CSS匹配DOM Tree主要是从右到左解析CSS的Selector，好多人以为这个事会比较快，其实并不一定。关键还看我们的CSS的Selector怎么写了。

注意：CSS匹配HTML元素是一个相当复杂和有性能问题的事情。所以，DOM树要小，CSS尽量用id和class，千万不要过渡层叠下去

将DOM树和csss rule tree attach在一起，得到下面的Style Context Tree：

所以，Firefox基本上来说是通过CSS 解析 生成 CSS Rule Tree，然后，通过比对DOM生成Style Context Tree，然后Firefox通过把Style Context Tree和其Render Tree(Frame Tree)关联上，就完成了。注意：Render Tree会把一些不可见的结点去除掉。而Firefox中所谓的Frame就是一个DOM结点，不要被其名字所迷惑了。

注：Webkit不像Firefox要用两个树来干这个，Webkit也有Style对象，它直接把这个Style对象存在了相应的DOM结点上了。

 

五、渲染树的构建

　　当Dom树构建完成时，浏览器开始构建另一棵树——渲染树。渲染树由元素显示序列中的可见元素组成，它是文档的可视化表示，构建这棵树是为了以正确的顺序绘制文档内容。

　　Firefox将渲染树中的元素称为frames，WebKit则用renderer或渲染对象来描述这些元素。

　　一个渲染对象知道怎么布局及绘制自己及它的children。

　　RenderObject是Webkit的渲染对象基类，它的定义如下：

class RenderObject{
virtual void layout();
virtual void paint(PaintInfo);
virtual void rect repaintRect();
Node* node;//the DOM node
RenderStyle* style;// the computed style
RenderLayer* containgLayer; //the containing z-index layer
}

　　每个渲染对象用一个和该节点的css盒模型相对应的矩形区域来表示，正如css2所描述的那样，它包含诸如宽、高和位置之类的几何信息。盒模型的类型受该节点相关的display样式属性的影响（参考样式计算章节）。下面的webkit代码说明了如何根据display属性决定某个节点创建何种类型的渲染对象。

RenderObject* RenderObject::createObject(Node* node, RenderStyle* style)
{
Document* doc = node->document();
RenderArena* arena = doc->renderArena();
...
RenderObject* o = 0;
switch (style->display()) {
case NONE:
break;
case INLINE:
o = new (arena) RenderInline(node);
break;
case BLOCK:
o = new (arena) RenderBlock(node);
break;
case INLINE_BLOCK:
o = new (arena) RenderBlock(node);
break;
case LIST_ITEM:
o = new (arena) RenderListItem(node);
break;
...
}
return o;
}

　　元素的类型也需要考虑，例如，表单控件和表格带有特殊的框架。

　　在Webkit中，如果一个元素想创建一个特殊的渲染对象，它需要重写“createRenderer”方法，使渲染对象指向不包含几何信息的样式对象。

　　渲染树和Dom树的关系（The render tree relation to the DOM tree）

　　渲染对象和Dom元素相对应，但这种对应关系不是一对一的，不可见的Dom元素不会被插入渲染树，例如head元素。另外，display属性为none的元素也不会在渲染树中出现（visibility属性为hidden的元素将出现在渲染树中）。

　　还有一些Dom元素对应几个可见对象，它们一般是一些具有复杂结构的元素，无法用一个矩形来描述。例如，select元素有三个渲染对象——一个显示区域、一个下拉列表及一个按钮。同样，当文本因为宽度不够而折行时，新行将作为额外的渲染元素被添加。另一个多个渲染对象的例子是不规范的html，根据css规范，一个行内元素只能仅包含行内元素或仅包含块状元素，在存在混合内容时，将会创建匿名的块状渲染对象包裹住行内元素。

　　一些渲染对象和所对应的Dom节点不在树上相同的位置，例如，浮动和绝对定位的元素在文本流之外，在两棵树上的位置不同，渲染树上标识出真实的结构，并用一个占位结构标识出它们原来的位置。

　创建树的流程（The flow of constructing the tree）

　　Firefox中，表述为一个监听Dom更新的监听器，将frame的创建委派给Frame Constructor，这个构建器计算样式（参看样式计算）并创建一个frame。

　　Webkit中，计算样式并生成渲染对象的过程称为attachment，每个Dom节点有一个attach方法，attachment的过程是同步的，调用新节点的attach方法将节点插入到Dom树中。

　　处理html和body标签将构建渲染树的根，这个根渲染对象对应被css规范称为containing block的元素——包含了其他所有块元素的顶级块元素。它的大小就是viewport——浏览器窗口的显示区域，Firefox称它为viewPortFrame，webkit称为RenderView，这个就是文档所指向的渲染对象，树中其他的部分都将作为一个插入的Dom节点被创建。

 

六、布局

　layout一般有下面这几个部分：

　　1. parent渲染对象决定它的宽度

　　2. parent渲染对象读取chilidren，并：

　　　　a. 放置child渲染对象（设置它的x和y）

　　　　b. 在需要时（它们当前为dirty或是处于全局layout或者其他原因）调用child渲染对象的layout，这将计算child的高度

　　　　c. parent渲染对象使用child渲染对象的累积高度，以及margin和padding的高度来设置自己的高度－这将被parent渲染对象的parent使用

　　　　d. 将dirty标识设置为false

　　Firefox使用一个“state”对象（nsHTMLReflowState）做为参数去布局（firefox称为reflow），state包含parent的宽度及其他内容。

　　Firefox布局的输出是一个“metrics”对象（nsHTMLReflowMetrics）。它包括渲染对象计算出的高度。

　　宽度计算

　　渲染对象的宽度使用容器的宽度、渲染对象样式中的宽度及margin、border进行计算。例如，下面这个div的宽度：

　　<div />

　　webkit中宽度的计算过程是（RenderBox类的calcWidth方法）：

  • 容器的宽度是容器的可用宽度和0中的最大值，这里的可用宽度为：contentWidth=clientWidth()-paddingLeft()-paddingRight()，clientWidth和clientHeight代表一个对象内部的不包括border和滑动条的大小
  • 元素的宽度指样式属性width的值，它可以通过计算容器的百分比得到一个绝对值
  • 加上水平方向上的border和padding

　　到这里是最佳宽度的计算过程，现在计算宽度的最大值和最小值，如果最佳宽度大于最大宽度则使用最大宽度，如果小于最小宽度则使用最小宽度。最后缓存这个值，当需要layout但宽度未改变时使用。

　　Line breaking

　　当一个渲染对象在布局过程中需要折行时，则暂停并告诉它的parent它需要折行，parent将创建额外的渲染对象并调用它们的layout。

 

　　这里重要要说两个概念，一个是Reflow，另一个是Repaint。这两个不是一回事。

  • Repaint——屏幕的一部分要重画，比如某个CSS的背景色变了。但是元素的几何尺寸没有变。
  • Reflow——意味着元件的几何尺寸变了，我们需要重新验证并计算Render Tree。是Render Tree的一部分或全部发生了变化。这就是Reflow，或是Layout。(HTML使用的是flow based layout，也就是流式布局，所以，如果某元件的几何尺寸发生了变化，需要重新布局，也就叫reflow)reflow 会从<html>这个root frame开始递归往下，依次计算所有的结点几何尺寸和位置，在reflow过程中，可能会增加一些frame，比如一个文本字符串必需被包装起来。

　　Reflow的成本比Repaint的成本高得多的多。DOM Tree里的每个结点都会有reflow方法，一个结点的reflow很有可能导致子结点，甚至父点以及同级结点的reflow。在一些高性能的电脑上也许还没什么，但是如果reflow发生在手机上，那么这个过程是非常痛苦和耗电的。

所以，下面这些动作有很大可能会是成本比较高的。

  • 当你增加、删除、修改DOM结点时，会导致Reflow或Repaint。
  • 当你移动DOM的位置，或是搞个动画的时候。
  • 当你修改CSS样式的时候。
  • 当你Resize窗口的时候(移动端没有这个问题)，或是滚动的时候。
  • 当你修改网页的默认字体时。

注：display:none会触发reflow，而visibility:hidden只会触发repaint，因为没有发现位置变化。

多说两句关于滚屏的事，通常来说，如果在滚屏的时候，我们的页面上的所有的像素都会跟着滚动，那么性能上没什么问题，因为我们的显卡对于这种把全屏像素往上往下移的算法是很快。但是如果你有一个fixed的背景图，或是有些Element不跟着滚动，有些Elment是动画，那么这个滚动的动作对于浏览器来说会是相当相当痛苦的一个过程。你可以看到很多这样的网页在滚动的时候性能有多差。因为滚屏也有可能会造成reflow。

基本上来说，reflow有如下的几个原因：

  • Initial。网页初始化的时候。
  • Incremental。一些Javascript在操作DOM Tree时。
  • Resize。其些元件的尺寸变了。
  • StyleChange。如果CSS的属性发生变化了。
  • Dirty。几个Incremental的reflow发生在同一个frame的子树上。

好了，我们来看一个示例吧：

var bstyle = document.body.style; // cache

bstyle.padding = "20px"; // reflow, repaint  
bstyle.border = "10px solid red"; //  再一次的 reflow 和 repaint

bstyle.color = "blue"; // repaint  
bstyle.backgroundColor = "#fad"; // repaint

bstyle.fontSize = "2em"; // reflow, repaint

// new DOM element - reflow, repaint
document.body.appendChild(document.createTextNode('dude!'));

 

　　当然，我们的浏览器是聪明的，它不会像上面那样，你每改一次样式，它就reflow或repaint一次。一般来说，浏览器会把这样的操作积攒一批，然后做一次reflow，这又叫异步reflow或增量异步reflow。但是有些情况浏览器是不会这么做的，比如：resize窗口，改变了页面默认的字体，等。对于这些操作，浏览器会马上进行reflow。

但是有些时候，我们的脚本会阻止浏览器这么干，比如：如果我们请求下面的一些DOM值：

  • offsetTop, offsetLeft, offsetWidth, offsetHeight
  • scrollTop/Left/Width/Height
  • clientTop/Left/Width/Height
  • IE中的 getComputedStyle(), 或 currentStyle

因为，如果我们的程序需要这些值，那么浏览器需要返回最新的值，而这样一样会flush出去一些样式的改变，从而造成频繁的reflow/repaint。

减少reflow/repaint，下面是一些Best Practices：

1.不要一条一条地修改DOM的样式。与其这样，还不如预先定义好css的class，然后修改DOM的className。

// bad
var left = 10,  
top = 10;  
el.style.left = left + "px";  
el.style.top  = top  + "px";

// Good
el.className += " theclassname";

// Good
el.style.cssText += "; left: " + left + "px; top: " + top + "px;";

 

2.把DOM离线后修改。如：

  • 使用documentFragment 对象在内存里操作DOM
  • 先把DOM给display:none(有一次repaint)，然后你想怎么改就怎么改。比如修改100次，然后再把他显示出来。
  • clone一个DOM结点到内存里，然后想怎么改就怎么改，改完后，和在线的那个的交换一下。

3.不要把DOM结点的属性值放在一个循环里当成循环里的变量。不然这会导致大量地读写这个结点的属性。

　　注：js中操作或者遍历对象的属性，也是很耗性能

4.尽可能的修改层级比较低的DOM。当然，改变层级比较底的DOM有可能会造成大面积的reflow，但是也可能影响范围很小。

5.为动画的HTML元件使用fixed或absoult的position，那么修改他们的CSS是不会reflow的。

　　fixed或absoult的position脱离DOM树

6.千万不要使用table布局。因为可能很小的一个小改动会造成整个table的重新布局。

 

七、绘制

绘制顺序

　　css2定义了绘制过程的顺序——http://www.w3.org/TR/CSS21/zindex.html。这个就是元素压入堆栈的顺序，这个顺序影响着绘制，堆栈从后向前进行绘制。

　　一个块渲染对象的堆栈顺序是：

　　1. 背景色

　　2. 背景图

　　3. border

　　4. children

　　5. outline

 

posted @ 2015-11-22 22:59  很好玩  阅读(459)  评论(0)  编辑  收藏  举报