图解「浏览器渲染原理」

什么是渲染(render)?

浏览器中的"渲染"指的是将HTML字符串转化为屏幕上的像素信息的过程。

我们可以将渲染想象成一个render函数,函数接收一个html字符串,将其经过一系列处理得出若干像素点的颜色,将这些像素信息存在pixels变量中返回。

js 复制代码
function render(html) {
  // 一系列处理得出像素信息...

  return pixels;
}

渲染时间点

了解什么是渲染之后,我们不由得好奇发问:渲染是在什么时候发生的呢?

当我们在浏览器键入一个URL时,网络线程会通过网络通信拿到HTML,但网络线程自身并不会处理HTML(人家是专注于搞网络的),它会将其生成一个渲染任务交给消息队列,在合适的时机渲染主线程会从消息队列中取出渲染任务执行,启动渲染的流程

Tip:关于渲染主线程是如何工作的,不了解的朋友可以去看一下我的这篇文章:
# 从「浏览器的进程模型」到「事件循环」

渲染流水线

接下来我们重点来讲解渲染的流程,整个过程如下图:

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。

1. 解析HTML

渲染的第一步是解析 HTML

由于字符串难以进行操作,浏览器首先会将HTML字符串解析成DOM树和CSSOM树这种容易操作的对象结构,也提供了js操作这两颗树的能力。

  • document就是DOM树的根节点,body是根节点的子节点,只要拿到根节点就可以拿到网页的所有节点。

  • StyleSheetList就是CSSOM树(CSS OBject Model)的根节点,代表网页中所有的层叠样式表。
    层叠样式表有哪些?

    js 复制代码
    <style></style> // 内部样式表
    <link src=".."></link> // 外部样式表
    <div style=".."></div> // 内联样式表或行内样式表
    // 浏览器默认样式表

    每一个层叠样式表都是根节点的子节点,每个样式表中有很多CSS规则,这些规则会形成很多规则对象,作为样式表的子节点。规则中会有很多选择器(例如:body h1)和样式(例如:color:red),作为规则对象的子节点,每个样式又有多个键值对作为子节点...如此层层嵌套。

    除了浏览器的默认样式外,其他的样式js都能操作。

    除了最常见的 dom.style = xxx 的方式以外,你还知道其他操作样式的方法吗?

    通过document.styleSheets可以拿到除了内联和默认样式表之外的所有内部和外部样式表

    通过addRuleAPI给所有的div加上红色边框。

HTML 解析过程遇到CSS和JS怎么办?

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。

2. 样式计算

渲染的下一步是样式计算

经过HTML解析过后,我们拿到了DOM树和CSSOM树,但是光得到这两颗树还不够,还需要知道每个DOM对应哪些样式。

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。

Tip:不了解CSS计算过程的同学,可以看一看这篇文章 # 你是否了解 CSS 的属性计算过程呢?

3. 布局

接下来是布局,布局完成后会得到布局树。

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。

布局树的每一个节点不是DOM对象,而是C++对象。

4. 分层

下一步是分层
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。

可以在开发者工具中查看图层:

还可以旋转、放大,帮助我们更清晰地查看图层。

5. 绘制

再下一步是绘制

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。

什么是绘制指令集?

类似于:

erlang 复制代码
将笔移动到(10,30)的位置
画一个 20 * 30 的矩形
将矩形填充为红色
...

绘制完成后,渲染主线程的工作到此为止,剩余步骤交给其他线程来完成

6. 分块

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。

7. 光栅化

分块完成后,进入光栅化阶段。

光栅化是将每个块变成位图,位图可以理解成内存里的一个二维数组,这个二维数组记录了每个像素点信息。

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。

8. 画

最后一个阶段就是

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。

总结

再让我们来回顾一遍完整过程:

  • 解析HTML:将字符串解析成DOM树和CSSOM
  • 样式计算:得到Computed Style
  • 布局:产生布局树
  • 分层:划分图层
  • 绘制:产生绘制指令集
  • 分块:划分区域
  • 光栅化:生成位图
  • 画:生成quad,提交硬件,完成成像

浏览器的渲染原理就讲完啦,你学会了吗?

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