一名合格的前端工程师需要掌握的浏览器渲染笔记-技术圈

前言

浏览器渲染这是一个广而深的题目，其中的每一个点如果深入，都可以讲一整天。本文主要从广度的层面，梳理了浏览器的整体渲染流程，有不对的地方，烦请指正！

ps：本文整体思路主要参考极客时间专栏-浏览器工作原理与实践^[1]（推荐，讲的不错），文中部分图片画起来比较复杂，也直接采用了文中的图片，仅供学习。

整体流程

1、解析HTML，构建DOM树
2、解析CSS，生成CSS规则树
3、合并DOM树和CSS规则，生成Render树（页面布局）
4、绘制Render树（paint），绘制页面像素信息
5、显示

1、构建DOM树

因为浏览器无法直接理解和使用html，所以需要将html转换为浏览器能够理解的结构——DOM树。在渲染引擎内部，有一个叫 HTML 解析器（HTMLParser）的模块，它的职责就是负责将 HTML 字节流转换为 DOM 结构。

1、解码：浏览器将接收的字节流（Bytes）基于编码方式解析为字符（characters）
2、分词：通过分词器（也就是词法分析）将字符转换为 Token，分为Tag Token 和文本Token
3、tokens->nodes
4、nodes->DOM

第3步和第4步其实是同时进行的，需要将 Token 解析为 DOM 节点，并将 DOM 节点添加到 DOM 树中。此过程HTML 解析器通过维护了一个Token栈结构来完成。

如果是StartTag Token，就会创建一个DOM节点，并推入栈
如果是文本 Token，就会生成一个文本节点，然后将直接该节点加入到 DOM 树中
如果是EndTag Token，会查看栈顶元素是否为对应的StartTag Token，如果是则弹出，该节点解析完成。

具体实现可以参考Vue.js的HTMLParser实现^[2]

2、构建CSS规则树

与HTML文本一样，渲染引擎也没法直接理解CSS文本，因此渲染引擎会将其转换为其能理解的结构——styleSheets。在控制台执行document.styleSheets 可以看到：

styleSheets是对页面样式的一个总览，其内部层级如下图：

关于stylesheets的具体属性，可参考链接^[3]

针对styleSheets，结合CSS的继承、优先级层叠等规则，渲染引擎最终生成如下CSS规则树：

此时每个元素上的样式就是最终应用这个元素上的样式了，通过浏览器的Element->Computed可以查看。

3、布局Layout

页面结构和页面样式都确定了，接下来就需要将两者结合起来，对页面进行整体布局。

3.1构建Render树

DOM树只是描述了源码中HTML的结构，但其中许多元素并不需要展示在画面中（比如head、dispaly:none），也有一些不存在DOM树中但需要显示在页面上的元素（比如伪类），因此在显示之前需要遍历DOM树中的所有节点，忽略掉不可见元素，添加不存在DOM树中但需要显示的的内容，最终生成一棵只包含可见元素的Render树。

3.2计算布局信息

以上得到了每个DOM元素的文档结构和样式，但是还不知道元素的具体绝对几何位置。

比如一个div元素的样式如下：

div {
    position: absolute;
    width:100px;
    height:100px;
    top:10px;
    left:10px;
}

那么我们还需要知道它的具体绝对几何位置：

div {
    x: ?
    y: ?
    width: 100px
    height: 100px
}

而计算元素的具体绝对几何位置是一项艰巨的任务，因为即使是最简单的页面布局（如从上到下的块流程）也必须考虑字体的大小以及在何处换行，因为这会影响段落的大小和形状，也会影响下一段的位置。

在Chrome中，有一整个工程师团队在为布局而工作， few talks from BlinkOn Conference^[4] 有提到一些，大家感兴趣可以看看。

4、绘制paint

以上得到了完整的Render树，也就是知道了页面的样式和位置信息，但还没到绘制的时候。类似于画一幅画，我们还需要知道页面各元素的绘制顺序，比如需要先画蓝天再画白云，否则白云会被蓝天覆盖住。

针对绘制顺序，因为页面中有很多复杂的效果，如一些复杂的 3D 变换、页面滚动，或者使用 z-index做 z 轴排序等，为了更加方便地实现这些效果，渲染引擎采用了分层机制。

4.1分层layer

每个DOM元素会有自己的布局信息Layout Object，根据其布局信息的层级等关系，某些Layout Object会拥有共同的渲染层Paint Layer，某些Paint Layer又会拥有共同的合成层Composite Layer(Graphic Layers)。

分层-渲染层（Paint Layer）

如上图，DOM 树中得每个 Node 节点都有一个对应的 LayoutObject；拥有相同的坐标空间的 LayoutObjects，属于同一个渲染层（PaintLayer）。渲染层产生的最普遍条件是“层叠上下文”。

层叠上下文示意图：

根据层叠上下文-MDN^[5]，层叠上下文由满足以下任意一个条件的元素形成：

满足以上任一条件的元素，都会拥有自己的渲染层，其子元素若没有单独的渲染层，则随父级元素同一层。

其他产生渲染层的特殊场景（除“层叠上下文”），可参考链接^[6]

分层-合成层(Composite Layer)

某些特殊的渲染层会被认为是合成层（Composite Layer），合成层拥有单独的 GraphicsLayer。渲染层与合成层的区别，如图：

产生合成层的具体条件可参考文章，这里列出几个常见的场景：

有 3D transform
对 opacity、fliter、transform 应用了 animation 或者 transition（需要是 active 的 animation 或者 transition，当 animation 或者 transition 效果未开始或结束后，提升合成层也会失效）
will-change 设置为 opacity、transform、top、left、bottom、right（其中 top、left 等需要设置明确的定位属性，如 relative 等

以上三种原因生成合成层demo代码如下

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <style type="text/css">
        *{
                margin:0;
                padding:0;
        }
        div{
                width:200px;
                height:100px;
        }
        .default{
                background: #ffb284;
        }
        .composite-translateZ{
                transform: translateZ(0);
                background: #f5cec7;
        }
        .composite-tansform-active{
                background: #e79796;
                transform: translate(0,0);
                transition: 3s;
        }
        .composite-tansform-active:hover{
                transform: translate(100px,100px);        
        }
        .composite-will-change{
                background: #ffc988;
                will-change: transform;
        }
    </style>
</head>
<body>
    <div class='default'>默认层</div>
    <div class='composite-translateZ'>合成层-translateZ</div>
    <div class='composite-tansform-active'>合成层——active transform（hover一下我）</div>
    <div class='composite-will-change'>合成层——will-change</div>
</body>
</html>

在控制台的Layers下，可以看到合成层。

overlap：元素覆盖在其他合成层元素上，则该元素被隐式提升为合成层，demo代码如下

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <style type="text/css">
        *{
                margin:0;
                padding:0;
        }
        div{
                width:200px;
                height:200px;
                /*background: */
        }
        .bottom{
                background: #f5cec7;
                animation: anim-translate 3s ease-in-out alternate infinite both;
        }
        @keyframes anim-translate {
            from { transform: translateX(0); }
            to { transform: translateX(50px); }
        }
        .top{
                background: #e79796;
                transform: translateY(-50px);
        }       
    </style>
</head>
<body>
    <div class='parents'>
        <div class="bottom">下层-有动画</div>
        <div class="top">上层-隐式提升为合成层</div>
    </div>
</body>
</html>

demo中的上层div，本不具备提升为合成层的因素，但由于其覆盖在了下层div上，如果上层div不隐式提升为合成层，它就会和和父元素共用一个合成层，此时渲染顺序就会出错。为了保证渲染顺序，因此上层被隐式提升为合成层。在控制台也可以看到原因：might overlap other composited content.

渲染层是为保证页面元素以正确的顺序，合成层是为了减少渲染的开销。

提升为合成层的好处：

合成层的位图，会采用硬件加速，也就是会交由 GPU 合成，比 CPU 处理要快
当需要 repaint 时，只需要 repaint 本身，不会影响到其他的层
对于已提升为合成层中的 transform 和 opacity 效果，都只是几何变换，透明度变换等，不会触发 layout 和 paint，直接由GPU完成即可

因此，在开发中，建议对于需要频繁移动的元素，建议将其提升为单独的合成层，可减少不必要的重绘，同时可以利用硬件加速，提高渲染效率。

4.2层绘制paint

分好层后，就需要对每个层进行绘制了。绘制并不是一蹴而就，而是像画画一样，是按顺序一笔一笔画出来的，渲染引擎也是类似。对于每一个合成层，渲染引擎的渲染过程：

先绘制下面的渲染层，再绘制上面的渲染层；
在绘制一个渲染层时，将一个渲染层的绘制拆分成很多小的绘制指令。

常见的指令如下：

drawReact(rect, paint)：使用paint画一个矩形rect
drawTextBlob(x,y,paint)：使用paint以x、y为起始坐标绘制文字
drawPaint(paint)：用paint填充画布
color：采用ARGB的方式

各指令的含义可参考链接^[7]

打开“开发者工具”的“Layers”标签，任意选择一层合成层，可查看该层detail下的详细渲染列表paint profiler。绘制指令demo代码如下

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<meta http-equiv="Content-Type" Content="text/html; Charset=UTF-8">
<head>
    <style type="text/css">
        *{
            margin:0;
            padding:0;
        }
        div{
            width:200px;
            height:100px;
            text-align: center;
            line-height:100px;
        }
        p{
            height:40px;
            line-height:40px;
            font-size:20px;
            margin-bottom: 30px;
        }
        .level-default{
            position: absolute;
            background: #f5cec7;
            top: 60px;
        }
        .level1{
            background: #ffb284;
            position: absolute;
            z-index:2;
            top: 160px;
        }
        .level2{
            background: #e79796;
            position: absolute;
            z-index:1;
            top: 260px;
        }
        .composite-1, .composite-2{
            position: relative;
            transform: translateZ(0);
            width:300px;
            height:400px;
            background: #ddd;
            margin-bottom:20px;
        }
    </style>
</head>
<body>
    <div class="composite-1">
        <p>合成层一</p>
        <div class='level-default'>默认层</div>
        <div class='level1'>渲染层1：z-index:2</div>
        <div class='level2'>渲染层2：z-index:1</div>
    </div>
    <div class="composite-2">
        <p>合成层二</p>
        <div class='level-default'>默认层</div>
        <div class='level1'>渲染层1：z-index:2</div>
        <div class='level2'>渲染层2：z-index:1</div>
    </div>
</body>
</html>

比如选择composite-1的合成层，绘制列表如下：

这里顺便也可以看到一点：渲染层2在渲染层1的后面，但由于其z-index较大（说明其渲染层层级较高），因此优先渲染层2。

需要说明一点，绘制列表只是用来记录绘制顺序和绘制指令的列表，并没有真正的绘制出页面。

4.3栅格化

生成了绘制指令，就到了真正绘制页面的时候了，真正的绘制过程不是在主线程完成的，而是在得到绘制指令后，主线程会将这些信息交给合成线程，由合成线程来完成绘制。

合成线程是如何工作的呢？

页面可能很大，但用户只能看到一部分，在这种情况下如果全部绘制，就会产生很大的性能开销，因此需要优先绘制视口（即用户看到的区域）区域内的元素。

基于此原因，绘制前，合成线程会对页面进行分块，然后将每个图块发送给栅格线程，栅格线程将图块转换为位图。合成器线程可以优先处理不同的栅格线程，这样就可以首先对视口（或附近）中的事物进行栅格化。

通常，栅格化过程都会使用 GPU 来加速生成，生成的位图被保存在 GPU 内存中。

栅格化的过程：

5、合成与显示

栅格化完成后，每一个图层都对应一张“图片”，合成线程会将这些图片合成为一张“图片”。此时，页面数据已经完成绘制，现在只需要显示给用户即可，此时就需要显卡和显示器就上场了。

显卡分为前缓冲区和后缓冲区，合成线程生成的“图片”会被发送至后缓冲区。显卡对图片进行处理完成后，系统就会让后缓冲区和前缓冲区互换，这样显示器就总能读到显卡最新产生的数据了。

通常显卡和显示器的刷新频率是一致的，都会60次/秒，但对于一些复杂的场景，显卡处理速度比较慢，显卡的刷新频率就会低于显示器，此时页面就会出现卡顿现象。

因此在开发中，我们需要尽量保证一帧画面的处理总时长（以上的所有步骤）不超过1/60s = 16.7ms，这样画面才不会出现卡顿现象。不过量化地衡量渲染时间比较困难，但基于以上分析的渲染过程，我们就可以从渲染的各个步骤着手优化渲染流程，提高渲染效率。

6、相关拓展

6.1 CSS如何影响DOM的构建

JavaScript脚本由于可能会修改DOM，因此会阻塞DOM的构建，这一点我们都知道；而CSS并不会操作或者改变DOM，因此通常我们认为CSS不会影响DOM的构建，只会影响后续的布局、绘制等过程，即会影响DOM的渲染。但其实CSS可以通过JavaScript来阻塞DOM的构建。

因为JavaScript是可以改变样式的，也就是具有修改CSS规则树的能力，而JavaScript脚本里是否有改变样式的操作，这一点在执行JavaScript之前是不可知的。因此，为保证JavaScript脚本的正确执行，在执行JavaScript之前，CSS规则树必须要先准备好（不然万一有修改CSS的操作呢）。

也就是说，若在构建DOM的中途存在阻塞DOM构建的JavaScript脚本，而此页面中还包含了外部 CSS 文件的引用，那么此时就需要等目前的CSS规则树（基于目前生成完的部分DOM树）构建完毕后，再开始JavaScript脚本的执行，等一切结束了，再继续DOM的构建。

整个流程如图：（其中CSSOM表示CSS规则树）

demo代码如下：

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<meta http-equiv="Content-Type" Content="text/html; Charset=UTF-8">
<head>     
    <style type="text/css">
        h4{
            font-size:18px;
            font-weight:none;
        }
    </style>
    <link rel="stylesheet" type="text/css" href="https://ss1.bdstatic.com/5eN1bjq8AAUYm2zgoY3K/r/www/cache/static/protocol/https/soutu/css/soutu_new2_ae491b7.css">
</head>
<body>
    <button id="btn">清空dom</button>
    <div>我是div</div>
    <!-- !!!script阻塞div的构建 -->
    <script>
            console.log('遇到内联script啦')
    </script>

    <div>我是div</div>
    <div>我是div</div>
    <div>我是div</div>
    <div>我是div</div>
</body>
<script type="text/javascript">
    let btn = document.getElementById('btn')
    let body = document.body
    btn.addEventListener("click", function(e){
            body.innerHTML = ''
    }, true);
</script>
</html>

将控制台Network中的网络调为Slow 3G，点击按钮清空dom后，刷新页面观察Element中DOM元素出现的时机。

当不存在script时，所有div全部很快出现
存在script时，script后的div元素要等一会（css加载完成）才会出现

说明CSS可以通过JavaScript来阻塞DOM的构建。

6.2重排、重绘、合成

重排会改变元素的几何位置，需要更新完整的渲染流水线，所以开销也是最大的
重绘只是修改元素的颜色等非位置属性，所以省去了布局和分层阶段，开销比重排小
合成只会由已提升会合成层的transform或opacity触发，只涉及几何变换或透明度变换， 会跳过前面的流程，直接进入合成阶段，开销最小。（transform或opacity若未提升为合成层，则依然会触发paint）

另外在合成小节提到，生成绘制指令之后的分开、栅格化等工作是在合成线程中进行，这也就意味着在执行合成操作时，是不会影响到主线程执行的，这也是合成动画性能好的原因之一。也就揭示了为什么经常主线程卡住了，但是 CSS 动画依然能执行的原因。

6.3层爆炸

前面提到overlap会导致生成隐式合成层，极端情况下就可能会产生大量的不在预期内的额外合成层，导致层爆炸。demo^[8]

因此，在开发过程中，建议：

为防止层爆炸，在提升为合成层的元素上，建议加上z-index，防止overlap引起的层提升。
不要创建太多层，因为每层都需要内存和管理开销；不要在不分析的情况下提升元素。

7、参考

极客时间专栏-浏览器工作原理与实践^[9]
无线性能优化:composite^[10]
Inside look at modern web browser (part 3)^[11]
详谈层合成^[12]

参考资料

[1]

极客时间专栏-浏览器工作原理与实践: https://time.geekbang.org/column/intro/216

[2]

Vue.js的HTMLParser实现: https://github.com/vuejs/vue/blob/dev/src/compiler/parser/html-parser.js

[3]

链接: https://www.cnblogs.com/xiaohuochai/p/5848335.html

[4]

few talks from BlinkOn Conference: https://www.youtube.com/watch?v=Y5Xa4H2wtVA

[5]

层叠上下文-MDN: https://developer.mozilla.org/zh-CN/docs/Web/CSS/CSS_Positioning/Understanding_z_index/The_stacking_context

[6]

链接: https://fed.taobao.org/blog/taofed/do71ct/performance-composite/

[7]

链接: https://api.flutter.dev/flutter/dart-ui/Canvas/restore.html

[8]

demo: http://fouber.github.io/test/layer/?size=20

[9]

极客时间专栏-浏览器工作原理与实践: https://time.geekbang.org/column/intro/216

[10]

无线性能优化:composite: https://fed.taobao.org/blog/taofed/do71ct/performance-composite/

[11]

Inside look at modern web browser (part 3): https://developers.google.com/web/updates/2018/09/inside-browser-part3

[12]

详谈层合成: http://jartto.wang/2017/09/29/expand-on-performance-composite/

一名合格的前端工程师需要掌握的浏览器渲染笔记

前言