浏览器渲染原理

浏览器渲染原理

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1. 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。

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1.1. HTML 解析 – Parse 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 解析的根本原因。

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 会阻塞 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。

解析 DOM 树（Document Object Model）

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解析 CSSOM 树（CSS Object Model）

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HTML 解析过程中遇到 CSS 代码，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

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HTML 解析过程中遇到 JS 代码

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

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1.2. 样式计算 – Recalculate Style

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。

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1.3. 布局 – Layout

布局节点，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。

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1.4. 分层 – Layer

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。

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1.5. 绘制 – Paint

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。

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渲染主线程的⼯作到此为⽌，剩余步骤交给其他线程完成

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1.6. 分块 – Tiling

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。

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。

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分块的⼯作是交给多个线程同时进⾏的

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1.7. 光栅化 – Raster

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

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此过程会⽤到 GPU 加速

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1.8. 画 – Draw

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，完成最终的屏幕成像。

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

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1.9. 完整过程

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2. 其他一些问题

2.1. 什么是回流 – reflow？

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。

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比如以下情况发生回流：

根据改变的范围和程度，渲染树中或大或小的部分需要重新计算，有些改变会触发整个页面的重排，比如，滚动条出现的时候或者修改了根节点。

  • 页面一开始渲染的时候（这肯定避免不了）
  • 浏览器的窗口尺寸变化（因为回流是根据视口的大小来计算元素的位置和大小的）
  • 添加或删除可见的 DOM 元素
  • 元素的位置发生变化
  • 元素的尺寸发生变化（包括外边距、内边框、边框大小、高度和宽度等）
  • 内容发生变化，比如文本变化或图片被另一个不同尺寸的图片所替代。
  • 元素字体大小变化
  • 激活 CSS 伪类（例如：:hover）

一些常用且会导致回流的属性和方法：

clientWidth、clientHeight、clientTop、clientLeft
offsetWidth、offsetHeight、offsetTop、offsetLeft
scrollWidth、scrollHeight、scrollTop、scrollLeft
width、height

scrollIntoView()、scrollIntoViewIfNeeded()
getComputedStyle()
getBoundingClientRect()
scrollTo()

2.2. 什么是重绘 – repaint？

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。

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以下情况发生重绘而不回流

当页面中元素样式的改变并不影响它在文档流中的位置时（例如：color、background-color、visibility 等），浏览器会将新样式赋予给元素并重新绘制它，这个过程重绘而不回流。

注意：回流一定会触发重绘，而重绘不一定会回流

2.3. 减少回流与重绘

  • 使用 transform 替代 top
  • 使用 visibility 替换 display: none，因为前者只会引起重绘，后者会引发回流（改变了布局）
  • 不要把节点的属性值放在一个循环里当成循环里的变量。
  • 不要使用 table 布局，可能很小的一个小改动会造成整个 table 的重新布局
  • 动画实现的速度的选择，动画速度越快，回流次数越多，也可以选择使用 requestAnimationFrame
  • CSS 选择符从右往左匹配查找，避免节点层级过多
  • 将频繁重绘或者回流的节点设置为图层，图层能够阻止该节点的渲染行为影响别的节点。比如对于 video 标签来说，浏览器会自动将该节点变为图层。
  • 合并多次对 DOM 和样式的修改
    • 隐藏元素，应用修改，重新显示

      function appendDataToElement(appendToElement, data) {
let li;

for (let i = 0; i < data.length; i++) {
  li = document.createElement("li");

  li.textContent = "text";

  appendToElement.appendChild(li);
}
}

const ul = document.getElementById("list");

ul.style.display = "none";

appendDataToElement(ul, data);

ul.style.display = "block";
    • 使用文档片段 (document fragment) 在当前 DOM 之外构建一个子树，再把它拷贝回文档。

      const ul = document.getElementById("list");

const fragment = document.createDocumentFragment();
appendDataToElement(fragment, data);
ul.appendChild(fragment);
    • 将原始元素拷贝到一个脱离文档的节点中，修改节点后，再替换原始的元素。

      const ul = document.getElementById("list");

const clone = ul.cloneNode(true);

appendDataToElement(clone, data);

ul.parentNode.replaceChild(clone, ul);

2.4. 为什么 Transform 的效率高？

因为 transform 既不会影响布局也不会影响绘制指令，它影响的只是渲染流程的最后一个「draw」阶段

由于 draw 阶段在合成线程中，所以 transform 的变化几乎不会影响渲染主线程。反之，渲染主线程无论如何忙碌，也不会影响 transform 的变化。

2.5. Css3 硬件加速（GPU 加速）

常见的触发硬件加速的 css3 属性：

  • transform
  • opacity
  • filters
  • Will-change

2.6. 其他优化手段

基于上面介绍的浏览器渲染原理，DOM 和 CSSOM 结构构建顺序，初始化可以对页面渲染做些优化，提升页面性能。

  • JS 优化：<script>标签加上 defer 属性 和 async 属性 用于在不阻塞页面文档解析的前提下，控制脚本的下载和执行。defer 属性：用于开启新的线程下载脚本文件，并使脚本在文档解析完成后执行。async 属性：HTML5 新增属性，用于异步下载脚本文件，下载完毕立即解释执行代码。
  • CSS 优化：<link>标签的 rel 属性 中的属性值设置为 preload 能够让你在你的 HTML 页面中可以指明哪些资源是在页面加载完成后即刻需要的,最优的配置加载顺序，提高渲染性能
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