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图解「浏览器渲染原理」

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站长
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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。

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。

图解「浏览器渲染原理」

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：

图解「浏览器渲染原理」

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。

图解「浏览器渲染原理」

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？

    <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。

    图解「浏览器渲染原理」

    通过addRuleAPI给所有的div加上红色边框。

    图解「浏览器渲染原理」

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。

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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。

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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。

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3. 布局

接下来是布局，布局完成后会得到布局树。

图解「浏览器渲染原理」

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。

图解「浏览器渲染原理」 图解「浏览器渲染原理」 图解「浏览器渲染原理」

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。

图解「浏览器渲染原理」

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：

图解「浏览器渲染原理」

还可以旋转、放大，帮助我们更清晰地查看图层。

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5. 绘制

再下一步是绘制。

图解「浏览器渲染原理」

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：

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。

图解「浏览器渲染原理」 图解「浏览器渲染原理」

7. 光栅化

分块完成后，进入光栅化阶段。

图解「浏览器渲染原理」

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。

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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

最后一个阶段就是画了

图解「浏览器渲染原理」

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树
  • 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

图解「浏览器渲染原理」

浏览器的渲染原理就讲完啦，你学会了吗？