浏览器背后的运行机制

浏览器渲染过程

什么是渲染过程？简单来说，渲染引擎根据 HTML 文件描述构建相应的数学模型，调用浏览器各个零部件，从而将网页资源代码转换为图像结果，这个过程就是渲染过程（如下图）。

从这个流程来看，浏览器呈现网页这个过程，宛如一个黑盒。在这个神秘的黑盒中，有许多功能模块，内核内部的实现正是这些功能模块相互配合协同工作进行的。其中我们最需要关注的，就是HTML 解释器、CSS 解释器、图层布局计算模块、视图绘制模块与JavaScript 引擎这几大模块：

  • HTML 解释器：将 HTML 文档经过词法分析输出 DOM 树。
  • CSS 解释器：解析 CSS 文档, 生成样式规则。
  • 图层布局计算模块：布局计算每个对象的精确位置7和大小。
  • 视图绘制模块：进行具体节点的图像绘制，将像素渲染到屏幕上。
  • JavaScript 引擎：编译执行 Javascript 代码。

浏览器渲染过程解析

有了对零部件的了解打底，我们就可以一起来走一遍浏览器的渲染流程了。在浏览器里，每一个页面的首次渲染都经历了如下阶段（图中箭头不代表串行，有一些操作是并行进行的，下文会说明）：

  • 解析 HTML
    在这一步浏览器执行了所有的加载解析逻辑，在解析 HTML 的过程中发出了页面渲染所需的各种外部资源请求。

  • 计算样式
    浏览器将识别并加载所有的 CSS 样式信息与 DOM 树合并，最终生成页面 render 树（:after :before 这样的伪元素会在这个环节被构建到 DOM 树中）。

  • 计算图层布局
    页面中所有元素的相对位置信息，大小等信息均在这一步得到计算。

  • 绘制图层
    在这一步中浏览器会根据我们的 DOM 代码结果，把每一个页面图层转换为像素，并对所有的媒体文件进行解码。

  • 整合图层，得到页面
    最后一步浏览器会合并合各个图层，将数据由 CPU 输出给 GPU 最终绘制在屏幕上。（复杂的视图层会给这个阶段的 GPU 计算带来一些压力，在实际应用中为了优化动画性能，我们有时会手动区分不同的图层）。

  • DOM 树：解析 HTML 以创建的是 DOM 树（DOM tree ）：渲染引擎开始解析 HTML 文档，转换树中的标签到 DOM 节点，它被称为“内容树”。

  • CSSOM 树：解析 CSS（包括外部 CSS 文件和样式元素）创建的是 CSSOM 树。CSSOM 的解析过程与 DOM 的解析过程是并行的。

  • 渲染树：CSSOM 与 DOM 结合，之后我们得到的就是渲染树（Render tree ）。

  • 布局渲染树：从根节点递归调用，计算每一个元素的大小、位置等，给每个节点所应该出现在屏幕上的精确坐标，我们便得到了基于渲染树的布局渲染树（Layout of the render tree）。

  • 绘制渲染树: 遍历渲染树，每个节点将使用 UI 后端层来绘制。整个过程叫做绘制渲染树（Painting the render tree）。
    渲染过程说白了，首先是基于 HTML 构建一个 DOM 树，这棵 DOM 树与 CSS 解释器解析出的 CSSOM 相结合，就有了布局渲染树。最后浏览器以布局渲染树为蓝本，去计算布局并绘制图像，我们页面的初次渲染就大功告成了。之后每当一个新元素加入到这个 DOM 树当中，浏览器便会通过 CSS 引擎查遍 CSS 样式表，找到符合该元素的样式规则应用到这个元素上，然后再重新去绘制它。

基于渲染流程的 CSS 优化建议

在给出 CSS 选择器方面的优化建议之前，先告诉大家一个小知识：CSS 引擎查找样式表，对每条规则都按从右到左的顺序去匹配。 看如下规则：

#myList  li {}

这样的写法其实很常见。大家平时习惯了从左到右阅读的文字阅读方式，会本能地以为浏览器也是从左到右匹配 CSS 选择器的，因此会推测这个选择器并不会费多少力气：#myList 是一个 id 选择器，它对应的元素只有一个，查找起来应该很快。定位到了 myList 元素，等于是缩小了范围后再去查找它后代中的 li 元素，没毛病。事实上，CSS 选择符是从右到左进行匹配的。我们这个看似“没毛病”的选择器，实际开销相当高：浏览器必须遍历页面上每个 li 元素，并且每次都要去确认这个 li 元素的父元素 id 是不是 myList，你说坑不坑！
说到坑，不知道大家还记不记得这个经典的通配符：

* {}

入门 CSS 的时候，不少同学拿通配符清除默认样式（我曾经也是通配符用户的一员）。但这个家伙很恐怖，它会匹配所有元素，所以浏览器必须去遍历每一个元素！大家低头看看自己页面里的元素个数，是不是心凉了——这得计算多少次呀！

这样一看，一个小小的 CSS 选择器，也有不少的门道！好的 CSS 选择器书写习惯，可以为我们带来非常可观的性能提升。根据上面的分析，我们至少可以总结出如下性能提升的方案：

  • 避免使用通配符，只对需要用到的元素进行选择。

  • 关注可以通过继承实现的属性，避免重复匹配重复定义。

  • 少用标签选择器。如果可以，用类选择器替代，举个🌰：

//错误示范：
#myList li{}
//课代表：
.myList_li {}
  • 不要画蛇添足，id 和 class 选择器不应该被多余的标签选择器拖后腿。举个🌰
//错误示范：
.myList#title
//课代表：
#title
  • 减少嵌套。后代选择器的开销是最高的，因此我们应该尽量将选择器的深度降到最低（最高不要超过三层），尽可能使用类来关联每一个标签元素。

CSS 与 JS 的加载顺序优化

CSS 的阻塞

在刚刚的过程中，我们提到 DOM 和 CSSOM 合力才能构建渲染树。这一点会给性能造成严重影响：默认情况下，CSS 是阻塞的资源。浏览器在构建 CSSOM 的过程中，不会渲染任何已处理的内容。即便 DOM 已经解析完毕了，只要 CSSOM 不 OK，那么渲染这个事情就不 OK（这主要是为了避免没有 CSS 的 HTML 页面丑陋地“裸奔”在用户眼前）。我们知道，只有当我们开始解析 HTML 后、解析到 link 标签或者 style 标签时，CSS 才登场，CSSOM 的构建才开始。很多时候，DOM 不得不等待 CSSOM。因此我们可以这样总结：

CSS 是阻塞渲染的资源。需要将它尽早、尽快地下载到客户端，以便缩短首次渲染的时间。
事实上，现在很多团队都已经做到了尽早（将 CSS 放在 head 标签里）和尽快（启用 CDN 实现静态资源加载速度的优化）。这个“把 CSS 往前放”的动作，对很多同学来说已经内化为一种编码习惯。那么现在我们还应该知道，这个“习惯”不是空穴来风，它是由 CSS 的特性决定的。

JS 的阻塞

不知道大家注意到没有，前面我们说过程的时候，花了很多笔墨去说 HTML、说 CSS。相比之下，JS 的出镜率也太低了点。
这当然不是因为 JS 不重要。而是因为，在首次渲染过程中，JS 并不是一个非登场不可的角色——没有 JS，CSSOM 和 DOM 照样可以组成渲染树，页面依然会呈现——即使它死气沉沉、毫无交互。JS 的作用在于修改，它帮助我们修改网页的方方面面：内容、样式以及它如何响应用户交互。这“方方面面”的修改，本质上都是对 DOM 和 CSSDOM 进行修改。因此 JS 的执行会阻止 CSSOM，在我们不作显式声明的情况下，它也会阻塞 DOM。
我们通过一个🌰来理解一下这个机制：

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
  <meta charset="UTF-8">
  <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
  <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="ie=edge">
  <title>JS阻塞测试</title>
  <style>
    #container {
      background-color: yellow;
      width: 100px;
      height: 100px;
    }
  </style>
  <script>
    // 尝试获取container元素
    var container = document.getElementById("container")
    console.log('container', container)
  </script>
</head>
<body>
  <div id="container"></div>
  <script>
    // 尝试获取container元素
    var container = document.getElementById("container")
    console.log('container', container)
    // 输出container元素此刻的背景色
    console.log('container bgColor', getComputedStyle(container).backgroundColor)
  </script>
  <style>
    #container {
      background-color: blue;
    }
  </style>
</body>
</html>

第一次尝试获取 id 为 container 的 DOM 失败，这说明 JS 执行时阻塞了 DOM，后续的 DOM 无法构建；第二次才成功，这说明脚本块只能找到在它前面构建好的元素。这两者结合起来，“阻塞 DOM”得到了验证。再看第三个 console，尝试获取 CSS 样式，获取到的是在 JS 代码执行前的背景色（yellow），而非后续设定的新样式（blue），说明 CSSOM 也被阻塞了。那么在阻塞的背后，到底发生了什么呢？
我们前面说过，JS 引擎是独立于渲染引擎存在的。我们的 JS 代码在文档的何处插入，就在何处执行。当 HTML 解析器遇到一个 script 标签时，它会暂停渲染过程，将控制权交给 JS 引擎。JS 引擎对内联的 JS 代码会直接执行，对外部 JS 文件还要先获取到脚本、再进行执行。等 JS 引擎运行完毕，浏览器又会把控制权还给渲染引擎，继续 CSSOM 和 DOM 的构建。 因此与其说是 JS 把 CSS 和 HTML 阻塞了，不如说是 JS 引擎抢走了渲染引擎的控制权。
现在理解了阻塞的表现与原理，我们开始思考一个问题。浏览器之所以让 JS 阻塞其它的活动，是因为它不知道 JS 会做什么改变，担心如果不阻止后续的操作，会造成混乱。但是我们是写 JS 的人，我们知道 JS 会做什么改变。假如我们可以确认一个 JS 文件的执行时机并不一定非要是此时此刻，我们就可以通过对它使用 defer 和 async 来避免不必要的阻塞，这里我们就引出了外部 JS 的三种加载方式。

JS的三种加载方式

//正常模式： 这种情况下 JS 会阻塞浏览器，浏览器必须等待 index.js 加载和执行完毕才能去做其它事情。
<script src="index.js"></script>
// async 模式：async 模式下，JS 不会阻塞浏览器做任何其它的事情。它的加载是异步的，当它加载结束，JS 脚本会立即执行。
<script async src="index.js"></script>
// defer 模式：defer 模式下，JS 的加载是异步的，执行是被推迟的。等整个文档解析完成、DOMContentLoaded 事件即将被触发时，被标记了 //defer 的 JS 文件才会开始依次执行。
<script defer src="index.js"></script>

从应用的角度来说，一般当我们的脚本与 DOM 元素和其它脚本之间的依赖关系不强时，我们会选用 async；当脚本依赖于 DOM 元素和其它脚本的执行结果时，我们会选用 defer。通过审时度势地向 script 标签添加 async/defer，我们就可以告诉浏览器在等待脚本可用期间不阻止其它的工作，这样可以显著提升性能。

posted @ 2022-10-28 11:30  自在一方  阅读(179)  评论(0)  编辑  收藏  举报