浏览器渲染原理
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。
主要有两个线程(渲染主线程、合成线程)和一个进程(GPU)参与,
可以归纳为 8 个步骤
rAF 在浏览器渲染主线程将绘制指令交由合成线程后执行的(AI 说的,暂未求证)
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
> 绘制指令
> 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。
解析 HTML
HTML字符串 => DOM Tree + CSSOM Tree
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。
CSS 不会阻塞 HTML 解析
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。
DOM 对象可以通过 document.body
查看与编辑;CSS 对象可以通过 document.styleSheets
属性查看与编辑;
JS 会阻塞 HTML 解析
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。
题外话:为什么 div 和 p 能占一行?因为浏览器默认样式(用户代理样式表)
display: block
样式计算
DOM Tree + CSSOM Tree = DOM Tree with Computed 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
,但对于某些百分比的长度或宽度,其结果是在下一步布局计算完成的
具体样式可以通过调试工具的 Computed
窗口查看
这一步完成后,会得到一棵带有样式的 DOM 树。
布局
DOM Tree with Computed Style => Layout Tree
布局阶段会依次遍历 DOM 树的每一个节点,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。
布局对象是 C++ 的对象,外部无法直接访问,只会暴露部分布局属性,例如 document.body.clientWidth
分层
优化重绘
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。
可以通过调试工具的 Layers
窗口查看
滚动条、堆叠上下文(z-index)、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。
绘制指令
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。
自此,渲染主线程的工作就结束了,剩余步骤交给其他进程或线程来完成
分块(合成线程)
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(也在渲染主线程中),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,将每一层划分为多个小区域。
它会从线程池(线程管理器)中拿取多个线程来完成分块工作。可以在任务管理器中找到它们(Compositor & CompositorTileWorker)
光栅化(合成线程 + GPU 进程)
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
FFFF FFFF 0000
00FF FFFF FFFF
画(合成线程 + GPU 进程)
位图 => quad => GPU 进程 => GPU(外部)
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。
为什么合成线程不直接交给GPU硬件?
因为合成线程位于浏览器的渲染进程中,而浏览器的渲染进程是与外界隔离的(沙盒),因此需要浏览器中的GPU进程来做中转
什么是 reflow?
reflow 的本质就是重新计算 layout 树。发生在Layout 阶段
当进行了会影响布局树的操作(几何属性改变)后,需要重新计算布局树,会引发 reflow。
添加或删除可见的 DOM
元素位置和尺寸改变
resize 事件
改变文字大小
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。
具体哪些属性可以引起reflow,可以查看CSS Triggers List - What Kind of Changes You Can Make
什么是 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。
具体哪些属性可以引起repaint,可以查看CSS Triggers List - What Kind of Changes You Can Make
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。