参考文章：浏览器渲染原理

浏览器渲染原理

1. 进程和线程

进程包涵线程,

微信是一个进程, 里面有很多诸如用户登录等线程.

a.线程共享内存, 进程独立内存:

进程与进程之间是相互独立的, 他们各自有各自的内存, 而线程之间是独立的, 但他们共享同一个内存空间.

b.线程依赖进程, 进程控制线程

没有进程, 线程就不存在, 需要进程来控制多个线程的执行.

c.「为了提升浏览器的稳定性和安全性，浏览器采取了多进程模型。」

如果一个页面有问题，不影响其他页面的运行。

2.浏览器进程架构

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• 「浏览器进程。**「主要负责」**界面显示」、「用户交互」、「子进程管理」、同时提供**「存储」**等功能。
• 「渲染进程。」 核心任务是将HTML、CSS和JavaScript转换为**「用户可以与之交互的网页」，排版引擎Blink和JavaScript引擎V8都运行在该进程中，默认情况下，Chrome为每一个Tab标签页创建一个渲染进程。出于安全考虑，渲染进程都是运行在「沙箱模式」**下的。
• **GPU进程。**GPU图形处理器（英语：graphics processing unit，缩写：GPU）,负责3D CSS效果，网页，Chrome ui的绘制。
• 「网络进程」。主要负责页面的**「网络资源加载」**，之前是作为一个模块运行在浏览器进程里面的，直至最近才独立处理，成为单独一个进程。
• 「插件进程」。主要负责**「插件的运行」**，因为插件易崩溃，所以通过插件进程来隔离，以保证插件进程崩溃不会对浏览器和页面造成影响。每一种类型的插件对应一个进程，仅当使用该插件时才创建。

所以我们开启一个页面，至少会启动4个进程。

3.浏览器的 Http 请求进程

3.1 工作步骤

1. 构造请求

   首先，浏览器构造请求行，构建好之后，浏览器准备发起网络请求

2. 查找缓存

   在发起请求前, 还要确认一下是否有缓存, 如果本来就有这个请求的缓存的话, 浏览器会拦截请求，返回该资源的副本，并直接结束请求。

   这样可以**「缓解服务的压力，提升性能」**。如果缓存查找失败，则进入网络请求。

3. 准备IP地址和端口

   浏览器使用 HTTP 协议在应用层上封装请求的文本信息, 之后用 TCP/IP 协议作传输层协议传到网络上,

   正因如此, 在 HTTP 开始工作前, 浏览器先要与服务器建立 TCP/IP 连接。也就是说HTTP的内容是通过TCP的传输数据阶段来实现的。

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   数据包是通过 IP 地址传输给接收方的, 但是 IP 地址太难记了, 用域名来记更方便, 就出现了 DNS (域名系统) , 来为 ’ IP 地址 ’ 和 ’ 域名地址 ’ 做一次映射.

   第一步浏览器会请求 DNS 返回域名对应的 IP。「当然浏览器还提供了 DNS 数据缓存服务」.

4. 「等待TCP队列」

​ 准备好 IP 和端口之后, 浏览器还有个检查机制, 因为浏览器规定一个域名的TCP链接不能超过六个, 如果少于六个, 就进入下一步, 建立tcp链接

5. 「建立TCP连接」

排队等待结束后，建立TCP连接

6. 「发送HTTP请求」

​

通常情况下，一旦服务器向客户端返回了请求数据，它就要关闭TCP连接Connection:Keep-Alive之后讲, 有了这个, 就不需要重复建立新的TCP连接。浏览器可以继续通过同一个TCP连接发送请求。不会关闭TCP链接

3.2 为什么网站第二次打开这么快

因为DNS和页面资源被缓存了: 「DNS缓存」和「页面资源缓存」

浏览器通过响应头的Cache-Control字段来设置是否缓存该资源。

Cache-Control:Max-age=2000 //缓存过期时间是2000

但如果缓存过期了，浏览器则会继续发送网络请求，并且在HTTP请求头中带上:

If-None-Match:"4f80f-13c-3a1xb12a"

简要来说，很多网站第二次访问能够秒开，是因为浏览器缓存直接使用本地副本来回应请求，而不会产生真实的网络请求，DNS 数据也被浏览器缓存了，这又省去了 DNS 查询环节。

4.输入url到浏览器显示页面发生了啥

名词解释：

**重定向：**重定向的意思就是说浏览器里面指定访问的一个url地址，去网站服务器里面访问后，
网站的服务器又指向浏览器中另外的一个地址，然后浏览器再去访问网站服务器的那个另外的地址。

提交文档：所谓提交文档，就是「浏览器主进程」，「将网络进程接收到的HTML数据提交给渲染进程」。

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1、**「浏览器进程」接收到用户输入的URL请求，「浏览器进程」**便将URL转发给网络进程。

2、**「网络进程」**中发起真正的URL请求。

3、「网络进程」接收到响应头数据，便解析响应头数据，并将数据转发给「浏览器进程」。

4、「浏览器进程」接收到网络进程的响应头数据之后，发送"「提交文档」"消息到**「渲染进程」**。

5、「渲染进程」接收到"提交文档"的消息之后，便开始准备接收HTML数据，接收数据的方式是直接和「网络进程」建立「数据管道。」

6、等文档数据传输完成之后，「渲染进程」会返回“确认提交”的消息给「浏览器进程」。

7、「浏览器进程」接收到「渲染进程」"确认提交"的消息之后，便开始移除之前旧的文档，然后更新**「浏览器进程」**中的页面状态。

5.浏览器的渲染流程

HTML，DOM，样式计算，布局，图层，绘制，栅格化，合成和显示。

一个完整的渲染流程大致可总结如下:

1. 渲染进程将HTML内容转换为浏览器能够读懂的**「DOM树」**结构。

2. 渲染引擎将CSS样式表转化为浏览器能够理解的**「CSS树」**,计算出DOM节点的样式。分三步

   1. 将css文本转换为浏览器能理解的样式表

   2. 标准化样式表中的属性值（比如bule变成rgb值之类的）

   3. 根据CSS的**「继承规则」和「层叠规则」**计算每个dom节点的样式

      ​ 继承规则就是继承祖先节点的文本和字体样式之类的，比如body { font-size: 20px }

      ​ 层叠规则就是计算样式权重

3. DOM树 + CSS树创建布局树，并计算元素的布局信息。

   所有不可见的节点都没有包含到布局树中。

   计算布局树节点的坐标位置。即计算元素在视口上确切的位置和大小。

4. 对布局树进行分层，并生成**「图层树」**。

   因为页面中有很多复杂的效果，如一些**「复杂的3D转换」，「页面滚动」**，或者使用z-index，为了更方便的实现这些效果，「渲染引擎还需要为特定的节点生成专门的图层，并生成一棵对应的图层树(LayerTree)」。

   不是所有节点都会有图层，这时候看满不满足两个要求

5. 对每个**「图层」生成「绘制列表」**，并将其提交给合成线程。

   渲染引擎把一个图层的绘制拆分为很多小的绘制指令，然后再把这些指令按照顺序组成一个待绘制列表并提交给合成线程

6. 对每个图层进行单独的绘制

   合并线程的主场：根据视图划分图层为图块，按照视口附近的图块来优先生成位图，也就是优先GPU栅格化，并保存在GPU中

7. 合并图层。

   一旦所有图块被栅格化，合成线程就会生成一个绘制图块的命令—“DrawQuad”，然后将该命令提交给浏览器进程。浏览器进程里的viz组件接收该指令并将页面内容绘制在内存中，最后显示在屏幕上

接下来我们从一个简单的html页面来谈浏览器的渲染流程：

5.1 构建 DOM 树

HTML内容转换为浏览器DOM树结构的过程：字节 → 字符 → 令牌 → 节点 → 对象模型。

• 转换: 浏览器从磁盘或网络读取 HTML 的原始字节，并根据文件的指定编码（例如 UTF-8）将它们转换成各个字符。
• 令牌化: 浏览器将字符串转换成 W3C HTML5 标准规定的各种令牌，例如，“”、“”，以及其他尖括号内的字符串。每个令牌都具有特殊含义和一组规则。
• 词法分析: 发出的令牌转换成定义其属性和规则的“对象”。
• DOM 构建: 最后，由于 HTML 标记定义不同标记之间的关系（一些标记包含在其他标记内），创建的对象链接在一个树数据结构内，此结构也会捕获原始标记中定义的父项-子项关系: HTML 对象是 body 对象的父项，body 是 paragraph 对象的父项，依此类推。

当解析器发现非阻塞资源，例如一张图片，浏览器会请求这些资源并且继续解析。当遇到一个CSS文件时，解析也可以继续进行，但是对于<script>标签（特别是没有 async 或者 defer 属性）会阻塞渲染并停止HTML的解析。

浏览器构建DOM树时，这个过程占用了主线程。当这种情况发生时，**「预加载扫描仪」**将解析可用的内容并请求高优先级资源，如CSS、JavaScript和web字体。多亏了预加载扫描器，我们不必等到解析器找到对外部资源的引用来请求它。它将在后台检索资源，以便在主HTML解析器到达请求的资源时，它们可能已经在运行，或者已经被下载。预加载扫描仪提供的优化减少了阻塞。

5.2 样式计算

样式计算的目的是为了计算出DOM节点中每一个元素的具体样式，这个阶段大体分三步。

1. 将css文本转换为浏览器能理解的样式表

2. 标准化样式表中的属性值（比如bule变成rgb值之类的）

3. 根据CSS的**「继承规则」和「层叠规则」**计算每个dom节点的样式

   继承规则就是继承祖先节点的文本和字体样式之类的，比如body { font-size: 20px }

   层叠规则就是计算样式权重

5.2.1 把CSS转换为浏览器内容理解的结构：将css文本转换为样式表

CSS来源有：

• 外部样式表：通过link引用的CSS文件
• 内部样式表：style标签内的CSS
• 内联样式：元素的style属性内嵌的CSS

和HTML文件一样，浏览器也是无法直接理解这些纯文本的CSS样式，所以**「当渲染引擎接收到CSS文本的时，会执行一个转换操作，将css文本转换为浏览器可以理解的结构—styleSheets。」**

渲染引擎会把获取到的 CSS 文本全部转换为 styleSheets 结构中的数据，并且该结构同时具备了查询和修改功能，这会为后面使用JS的样式操作提供基础。

5.2.2 转换样式表中的属性值，使其标准化

我们已经将CSS转换为浏览器能理解的结构了，那么接下来就要对其进行属性值的标准化操作。

body { font-size: 2em }
p {color:blue;}
span {display: none}
div {font-weight: bold}
div p {color:green;}
div {color:red; }

所以需要将所有值如 2em、blue、bold，转换为渲染引擎容易理解的、标准化的计算值，这个过程就是属性值标准化。

5.2.3 计算出DOM树中每一个节点的具体样式

这里就涉及到CSS的**「继承规则」和「层叠规则」**了。

样式计算阶段的目的是为了计算出 DOM 节点中每个元素的具体样式，在计算过程中需要遵守 CSS 的继承和层叠两个规则。这个阶段最终输出的内容是每个 DOM 节点的样式，并被保存在 ComputedStyle 的结构内。

每个 DOM 元素最终的计算样式，可以打开 Chrome 的“开发者工具”，选择第一个“element”标签，然后再选择“Computed”子标签

5.3 布局阶段

现在，我们有DOM树和DOM树中元素的样式，但是还足以显示页面，因为我们还不知道DOM元素的几何位置，那么接下来就需要**「计算出DOM树中可见元素的几何位置，我们把这个计算过程叫做布局」**。

Chrome在布局阶段需要完成两个任务:

1. 创建布局树
2. 布局计算

5.3.1 创建布局树

DOM树有些元素不会在页面上显示，被用户看到，如head标签和使用了display:none的元素。所以在显示之前，我么还要额外地构建一棵**「只包含了可见元素的布局树」**。

从上图可以看出，DOM树中所有不可见的节点都没有有包含到布局树中。

5.3.2 布局计算

我们已经有了一棵完整的布局树，那么接下来就要根据DOM节点对应的CSS树中的样式，计算布局树节点的坐标位置。即计算元素在视口上确切的位置和大小。

5.4 分层 (图层树)

有了布局树之后，每个元素的具体位置信息都计算出来了，那么接下来是不是就要开始着手绘制页面了？不是。因为页面中有很多复杂的效果，如一些**「复杂的3D转换」，「页面滚动」，或者使用z-index，为了更方便的实现这些效果，「渲染引擎还需要为特定的节点生成专门的图层，并生成一棵对应的图层树(LayerTree)」**。这和PS的图层类似，正是这些图层叠加在一起才最终构成了页面图像。

想要直观的理解什么是图层，可以打开Chrome的"开发工具"，选择Layers标签，就可以查看可视化页面的分层情况。

「布局树和图层树的关系」

通常情况下，并不是布局树中的每一个节点都包含一个图层，如果一个节点没有对应的图层，那么这个节点就从属于父节点的图层。那么什么情况满足，渲染引擎才会为特定的节点创建新的图层呢?满足一下两个条件中的任意一个，元素就可以被单独提升为一个图层。

1. 「拥有层叠上下文属性的元素会被提升为单独的一层」

页面是一个二维平面，但层叠上下文能够上HTML元素拥有三维概念，这些HTML元素按自身属性的优先级分布在垂直于这个二维平面的Z轴上，以下情况会作为单独的图层。

• position:fixed
• css 3d 例如：transform:rotateX(30deg)
• video
• canvas
• 有CSS3动画的节点
• will-change

2. 「需要剪裁的地方也会被创建为图层」

那么什么是剪裁，结合以下代码

<!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>div {width: 200px;height: 200px;overflow:auto;background: gray;} </style>
</head>
<body><div ><p>所以元素有了层叠上下文的属性或者需要被剪裁，那么就会被提升成为单独一层，你可以参看下图：</p><p>从上图我们可以看到，document层上有A和B层，而B层之上又有两个图层。这些图层组织在一起也是一颗树状结构。</p><p>图层树是基于布局树来创建的，为了找出哪些元素需要在哪些层中，渲染引擎会遍历布局树来创建层树（Update LayerTree）。</p> </div>
</body>
</html>

这里我么把div的大小限定为200 * 200像素，而div里面的文字内容比较多，文字所显示的区域肯定会超过200 * 200的面积，这时候就产生了剪裁，渲染引擎会把裁剪文字内容的一部分用于显示在div区域，下面是运行时的执行结果:

出现这种裁剪情况时，渲染引擎会为文字单独为文字创建一层，如出现滚动条，滚动条也会被提升为单独的层。

5.5 图层的绘制

在完成图层树的构建之后，渲染引擎会对图层树中的每个图层进行绘制，那么接下来我们看看渲染引擎是如何实现图层的绘制?

如果给你一张纸，让你先把背景涂成暗色，然后再中间中间位置花一个红色的圆，最后在圆上画一个绿色三角，你会怎么操作，通常你会按顺序操作。

渲染引擎实现图层的绘制与之类似，会把一个图层的绘制拆分为很多小的绘制指令，然后再把这些指令按照顺序组成一个待绘制列表，如下图所示:

从图中可以看出，绘制列表中的指令其实非常简单，就是让其执行一个简单的绘制操作，比如说绘制粉色矩形或者黑色的线等。而绘制一个元素通常需要好几条绘制指令，因为每个元素的背景、前景、边框都需要单独的指令去绘制。所以在**「图层绘制阶段，输出的内容就是这些待绘制列表」**。

5.6 栅格化操作

栅格化，就是指将图块转化为位图。

合成线程接收到上面的绘制列表后的工作：因为视口，合成线程会把图层划分多个图块，然后每个图块按离视口的距离被优先交由GPU栅格化生成位图，并保存在GPU中

绘制列表指令用来记录绘制顺序和绘制指令的列表，而实际上**「绘制操作是由渲染引擎中的合成线程来完成」**。结合下图看渲染主线程和合成线程之间的关系:

如上图所示，当图层的绘制列表准备好之后，主线程会把该绘制列表提交给合成线程，那么合成线程是如何工作的？

首先我们谈一个概念，「视口」。什么是视口？

通常一个页面可能很大，用户只能看到其中的一部分，我们把**「用户可以看到的这个区域叫视口(viewport)。」**

比如说，一个图层很大，页面需要滚动底部，才能全部显示。但是通过视口，用户只能看到页面很小的一部分，所以在此种情况下，要一次性绘制完图层所有的内容，会产生很大的开销，且没有必要。

基于这个原因，「合成线程会将图层划分为图块」，这些图块的大小通常是256 * 256或512 * 512。然后**「合成线程会按照视口附近的图块来优先生成位图」**，实际生成位图的操作就是有栅格化来执行的。所谓栅格化，**是指将图块转化为位图(所谓位图就是能够看的到的图层区域)。而图块是栅格化执行的最小单位。**渲染进程维护了一个栅格化的线程池，所有的图块栅格化都是在线程池内执行，运行方式如下图所示:

通常，栅格化过程都会使用GPU来加速生成，「使用GPU生成位图过程叫快速栅格化，或者GPU栅格化」，生成的位图被保存在GPU内存中。GPU操作是运行在GPU进程中的，那么栅格化，还涉及到了跨进程操作。

从图中可以看出，渲染进程把生成图块的指令发送给 GPU，然后在 GPU 中执行生成图块的位图，并保存在 GPU 的内存中。

5.7 合成和显示

一旦所有图块被栅格化，合成线程就会生成一个绘制图块的命令—“DrawQuad”，然后将该命令提交给浏览器进程。浏览器进程里的viz组件接收该指令并将页面内容绘制在内存中，最后显示在屏幕上

到此，经过一系列的阶段，编写好的HTML、CSS、JavaScript等文件，经过浏览器就会显示为页面。

6.重排、重绘、合成

重排：几何位置的改变，width等，也称回流，需要更新完整的渲染流水线，开销最大

重绘：绘制属性的改变，背景颜色等，省去了布局和分层阶段

合成：比如css的transition动画，更改一个既不要布局也不要绘制的属性，渲染引擎将跳过布局、分层和绘制，只执行后续的合成操作，

6.1 更新元素的几何属性(重排)

从上图可以看出，如果你**「通过JS或CSS修改元素的几何位置属性」，如width，height等，那么会触发浏览器的重新布局，解析之后的一系列子阶段，这个过程就叫重排也称回流。「重排需要更新完整的渲染流水线，所以开销也最大的。」

6.2 更新元素的绘制属性(重绘)

比如通过JS更改某些元素的背景颜色，渲染流水的调整参见下图:

修改元素的背景色，布局阶段不会执行，因为**「没有引起几何位置的变换」，所以直接进入绘制，然后执行之后的一系列子阶段，这个过程就叫「重绘」。相较重排操作，「重绘省去了布局和分层阶段，所以执行效率会比重排效率高。」**

6.3 直接合成阶段

那如果你更改一个既不要布局也不要绘制的属性，渲染引擎将跳过布局和绘制，只执行后续的合成操作，我们把这个过程叫做**「合成。」**

在上图，我们使用CSS的transform来实现动画效果，可以避开重排和重绘阶段，直接在非主线程上执行合成动画操作。这样的效率最高，因为是在非主线程上合成的，并没有占用主线程的资源。

7.优化

如果我们要提升性能，需要做的就是减少浏览器的重绘和回流

• CSS

1. 避免使用table布局。
2. 尽可能在DOM树的最末端改变class。
3. 避免设置多层内联样式。
4. 将动画效果应用到position属性为absolute或fixed的元素上。
5. 避免使用CSS表达式（例如：calc()）。

• JS

1. 避免频繁操作样式，最好一次性重写style属性，或者将样式列表定义为class并一次性更改class属性。
2. 避免频繁操作DOM，创建一个documentFragment，在它上面应用所有DOM操作，最后再把它添加到文档中。
3. 也可以先为元素设置display: none，操作结束后再把它显示出来。因为在display属性为none的元素上进行的DOM操作不会引发回流和重绘。
4. 避免频繁读取会引发回流/重绘的属性，如果确实需要多次使用，就用一个变量缓存起来。
5. 对具有复杂动画的元素使用绝对定位，使它脱离文档流，否则会引起父元素及后续元素频繁回流。