浏览器渲染原理

1. 进程和线程

「进程 :」 进程是操作系统资源分配的基本单位，进程中包含线程。简而言之，就是正在进行中的应用程序。

「线程」：线程是由进程所管理的。是进程内的一个独立执行的单位，是CPU调度的最小单位。

「线程」是「进程」的基本单位，一个进程由一个或者多个线程组成，搞清楚这个关系之后，我们可以明确「线程就是程序执行的最小单元」。
线程和进程一样，也是动态概念，有创建有销毁，存在只是暂时的，不是永久性的。
进程与线程的区别在于「进程在运行时拥有独立的内存空间」，也就是说「每个进程所占用的内存都是独立的」。

例如：微信运行时,系统会给它一个运行内存。

「多个线程是共享内存空间的」，但是每个线程的执行是相互独立的，线程必须依赖于进程才能执行，单独的线程是无法执行的，由进程来控制多个线程的执行，没有进程就不存在线程。

例如：我先开启一个发送消息的线程,那么同时还能由一个接收消息的线程。两个线程之间完全独立。

「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。」

2. 浏览器中的5个进程

目前最新的Chrome进程架构图

浏览器设置的时候是一个多进程模型，这样能确保浏览的安全性和稳定性。如果一个页面有问题，不影响其他页面的运行。

「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. HTTP 请求流程

HTTP是一种允许浏览器向服务器获取资源的协议，是Web的基础。通常由浏览器发起请求，用来获取不同类型的文件，例如HTML，CSS，JavaScript、「图片」、「视频」等。此外，HTTP也是浏览器使用最广的协议。规定了客户端请求，和服务器端响应数据格式的协议。

接下来简单介绍一下浏览器发送HTTP 请求的大致流程：

3.1 浏览器发送 HTTP 请求的流程

「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

「查找缓存」

在正在发起网络请求之前，浏览器会现在浏览器缓存中查询是否有请求的文件，其实「浏览器缓存是一种本地保存的资源副本，以供下次请求时直接使用的技术。」

当浏览器发现请求的资源已经在浏览器缓存中存有副本，它会拦截请求，返回该资源的副本，并直接结束请求。而不会再去源服务器中重新下载。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。

「准备IP地址和端口」

HTTP和TCP的关系，因为浏览器使用HTTP协议作为应用层协议**，用来封装请求的文本信息**；并使用TCP/IP作传输层协议将它发到网络上，所以在HTTP工作开始之前，浏览器需要TCP与服务器建立连接。也就是说HTTP的内容是通过TCP的传输数据阶段来实现的。

数据包是通过IP地址传输给接收方的。由于IP地址是数字标识的，难以记忆，使用一个域名例如www.baidu.com就容易记忆了，所以基于这个需求又出现了一个服务，负责把域名和IP地址做--映射关系。这套域名映射为IP的系统叫做"域名系统"，简称DNS。

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」，如果某个域名已经解析过了，那么浏览器会缓存解析的结果，以供下次查询时直接使用，这样也会减少一次网络请求。

「等待TCP队列」

IP地址和端口已经准备好了，是不是可以马上建立TCP连接。

不行，因为Chrome有个机制，同一个域名同时最多只能建立6个TCP连接。如果请求书少于6个，直接进入下一步，建立TCP连接。

「建立TCP连接」

排队等待结束后，建立TCP连接

「发送HTTP请求」

3.2 服务端处理 HTTP 请求的流程

历经千辛万苦，HTTP 的请求信息终于被送达了服务器。接下来，服务器会根据浏览器的请求信息来准备相应的内容：

「返回请求」
「断开连接」

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。不过如果在浏览器或服务器在其头部信息加入Connection:Keep-Alive那么TCP连接在发送后将仍然保持打开状态，这样浏览器可以继续通过同一个TCP连接发送请求。

保持TCP连接可以省去下次请求时需要建立连接的时间，提升资源加载速度。比如一个Web页面中内嵌图片来自于同一个web站点，如果初始化长连接，就不需要重复建立新的TCP连接。

3.3 为什么很多站点第二次打开会很快

因为第一次加载页面的过程中，缓存了一些耗时的数据。

那么，哪些数据会被缓存呢?「DNS缓存」和「页面资源缓存」这两块数据是会被浏览器缓存的。

通过上图第一次请求可以看出，当服务器返回HTTP响应头给浏览器时，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

这也就意味着，在该缓存资源还没有过期的情况下，如果再次发送请求该资源，会之间返回缓存中的资源给浏览器。

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，是因为这些网站把很多资源都缓存在了本地，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，从而节省了时间。同时，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地址到浏览器显示页面发生了什么

接下来我们从进程角度讨论一下：从浏览器里，输入URL地址，到页面显示，这中间发生了什么?

从上图可以看到，整个过程需要各个进程之间的配合，我们结合上图我们从进程的角度，描述一下

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。

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」。

5. 浏览器渲染流程

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

DOM解析的特点，是不会被阻塞的。因为浏览器无法直接理解和使用HTML，所以需要将HTML转化为浏览器能够理解的结构—DOM树。树结构很像我们现实生活中的"树"，其中的每一个点我们称为**节点,**相连的节点称为父子节点。在浏览器渲染中，我们使用的就是树结构。

DOM树描述了文档的内容。<html>元素是第一个标签也是文档树的根节点。树反映了不同标记之间的关系和层次结构。嵌套在其他标记中的标记是子节点。DOM节点的数量越多，构建DOM树所需的时间就越长。

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

先有内容，我们才能对内容就行修饰。

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。

5.2.1 把CSS转换为浏览器内容理解的结构

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。

那么什么是属性值的标注啊呢？

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

可以看到上面的 CSS 文本中有很多属性值，如 2em、blue、bold，这些类型数值不容易被渲染引擎理解，所以需要将所有值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。

首先是CSS的继承，「css继承是每个DOM节点都包含父节点的样式」。结合以下例子，看下面这张表示如何应用到DOM节点上的。

body { font-size: 20px }

继承规则就是一般文本和字体相关样式都是可以继承的。层叠规则，嵌套的越深权重就越高。

总之，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。

如果你想了解每个 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:创建布局树和布局计算

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。

「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

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

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。

浏览器进程里有一个叫viz的组件，用来接收合成线程发过来的DrawQuad命令，然后根据DrawQuad命令，将其页面内容绘制到内存中，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。

5.8 总结

我们已经完整分析了整个渲染流程，从HTML到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:

渲染进程将HTML内容转换为浏览器能够读懂的「DOM树」结构。
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。
DOM树 + CSS树创建布局树，并计算元素的布局信息。
对布局树进行分层，并生成「图层树」。
对每个「图层」生成「绘制列表」，并将其提交给合成线程。
对每个图层进行单独的绘制
合并图层。

6. 相关概念

有了渲染流水线的基础，我们来谈谈和渲染流水线关系的三个概念—「重排」，「重绘」和「合成」。理解这个三个概念对于后续Web的性能优化会有很大的帮助。

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. 优化方案

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

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

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。
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。
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。
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。
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。

浏览器渲染原理

浏览器渲染原理

1. 进程和线程

2. 浏览器中的5个进程

3. HTTP 请求流程

3.1 浏览器发送 HTTP 请求的流程

3.2 服务端处理 HTTP 请求的流程

3.3 为什么很多站点第二次打开会很快

4. 输入url地址到浏览器显示页面发生了什么

5. 浏览器渲染流程

5.1 构建 DOM 树

5.2 样式计算

5.2.1 把CSS转换为浏览器内容理解的结构

5.2.2 转换样式表中的属性值，使其标准化

5.2.3 计算出DOM树中每一个节点的具体样式

5.3 布局阶段

5.3.1 创建布局树

5.3.2 布局计算

5.4 分层 (图层树)

5.5 图层的绘制

5.6 栅格化操作

5.7 合成和显示

5.8 总结

6. 相关概念

6.1 更新元素的几何属性(重排)

6.2 更新元素的绘制属性(重绘)

6.3 直接合成阶段

7. 优化方案

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