浏览器工作原理——渲染流程

2019-10-15

前端 / JS

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通常，我们编写好 HTML、CSS、JavaScript 等文件，经过浏览器就会显示出漂亮的页面。

从图中可以看出，左边输入的是 HTML、CSS、JavaScript 数据，这些数据经过中间渲染模块的处理，最终输出为屏幕上的像素。

由于渲染机制过于复杂，所以渲染模块在执行过程中会被划分为很多子阶段，输入的 HTML 经过这些子阶段，最后输出像素。我们把这样的一个处理流程叫做渲染流水线，其大致流程如下图所示：

按照渲染的时间顺序，流水线可分为如下几个子阶段：构建 DOM 树、样式计算、布局阶段、分层、绘制、分块、光栅化和合成。在每个阶段的过程中，你应该重点关注以下三点内容：

开始每个子阶段都有其输入的内容；
然后每个子阶段有其处理过程；
最终每个子阶段会生成输出内容。

理解了这三部分内容，能让你更加清晰地理解每个子阶段。

构建 DOM 树

为什么要构建 DOM 树呢？这是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。

DOM 树的构建过程：

从图中可以看出，构建 DOM 树的输入内容是一个非常简单的 HTML 文件，然后经由 HTML 解析器解析，最终输出树状结构的 DOM。

为了更加直观地理解 DOM 树，你可以打开 Chrome 的开发者工具，选择Console标签来打开控制台，然后在控制台里面输入document后回车，这样你就能看到一个完整的 DOM 树结构。

图中的document就是 DOM 结构，DOM 和 HTML 内容几乎是一样的，但是和 HTML 不同的是，DOM 是保存在内存中的树状结构，可以通过 JavaScript 来查询或修改其内容。

1	document.getElementsByTagName("p")[0].innerText = "black"

这行代码的作用是把第一个<p>标签的内容修改为black。

从图中可以看出，在执行了一段修改第一个<p>标签的 JavaScript 代码后，DOM 的第一个p节点的内容成功被修改，同时页面中的内容也被修改了。

现在我们已经生成 DOM 树了，但是 DOM 节点的样式我们依然不知道，要让 DOM 节点拥有正确的样式，这就需要样式计算了。

样式计算

样式计算的目的是为了计算出 DOM 节点中每个元素的具体样式，这个阶段大体可分为三步来完成。

1. 把 CSS 转换为浏览器能够理解的结构

从图中可以看出，CSS 样式来源主要有三种：

通过link引用的外部 CSS 文件
<style>标记内的 CSS
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。

在 Chrome 控制台中中输入document.styleSheets，然后就看到如下图所示的结构：

从图中可以看出，这个样式表包含了很多种样式，已经把那三种来源的样式都包含进去了。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，这会为后面的样式操作提供基础。

2. 转换样式表中的属性值，使其标准化

现在我们已经把现有的 CSS 文本转化为浏览器可以理解的结构了，那么接下来就要对其进行属性值的标准化操作。

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。

那标准化后的属性值是什么样子的？

从图中可以看到，2em被解析成了32px，red被解析成了rgb(255,0,0)，bold被解析成了 700……

3. 计算出 DOM 树中每个节点的具体样式

现在样式的属性已被标准化了，接下来就需要计算 DOM 树中每个节点的样式属性了，这就涉及到 CSS 的继承规则和层叠规则了。

首先是 CSS 继承。CSS 继承就是每个 DOM 节点都包含有父节点的样式。我们可以结合具体例子，看下面这样一张样式表是如何应用到 DOM 节点上的。

body { font-size: 20px }
p {color:blue;}
span  {display: none}
div {font-weight: bold;color:red}
div  p {color:green;}

这张样式表最终应用到 DOM 节点的效果如下图所示：

从图中可以看出，所有子节点都继承了父节点样式。比如body节点的font-size属性是 20，那body节点下面的所有节点的font-size都等于 20。

打开 Chrome 的开发者工具，选择第一个element标签，再选择style子标签，你会看到如下界面：

这个界面展示的信息大致可描述为如下。
首先，可以选择要查看的元素的样式（位于图中的区域 2 中），在图中的第 1 个区域中点击对应的元素元素，就可以了下面的区域查看该元素的样式了。比如这里我们选择的元素是<p>标签，位于html.body.div.这个路径下面。

其次，可以从样式来源（位于图中的区域 3 中）中查看样式的具体来源信息，看看是来源于样式文件，还是来源于UserAgent样式表。这里需要特别提下UserAgent样式，它是浏览器提供的一组默认样式，如果你不提供任何样式，默认使用的就是UserAgent样式。

最后，可以通过区域 2 和区域 3 来查看样式继承的具体过程。

以上就是 CSS 继承的一些特性，样式计算过程中，会根据 DOM 节点的继承关系来合理计算节点样式。

样式计算过程中的第二个规则是样式层叠。层叠是 CSS 的一个基本特征，它是一个定义了如何合并来自多个源的属性值的算法。它在 CSS 处于核心地位，CSS 的全称“层叠样式表”正是强调了这一点。

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，如下图所示：

上图红色方框中显示了html.body.div.p标签的ComputedStyle的值。你想要查看哪个元素，点击左边对应的标签就可以了。

布局阶段

现在，我们有 DOM 树和 DOM 树中元素的样式，但这还不足以显示页面，因为我们还不知道 DOM 元素的几何位置信息。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。

1. 创建布局树

你可能注意到了 DOM 树还含有很多不可见的元素，比如head标签，还有使用了display:none属性的元素。所以在显示之前，我们还要额外地构建一棵只包含可见元素布局树。

我们结合下图来看看布局树的构造过程：

从上图可以看出，DOM 树中所有不可见的节点都没有包含到布局树中。

为了构建布局树，浏览器大体上完成了下面这些工作：

遍历 DOM 树中的所有可见节点，并把这些节点加到布局中；
而不可见的节点会被布局树忽略掉，如head标签下面的全部内容，再比如body.p.span这个元素，因为它的属性包含dispaly:none，所以这个元素也没有被包进布局树。

2. 布局计算

现在我们有了一棵完整的布局树。那么接下来，就要计算布局树节点的坐标位置了。

在执行布局操作的时候，会把布局运算的结果重新写回布局树中，所以布局树既是输入内容也是输出内容，这是布局阶段一个不合理的地方，因为在布局阶段并没有清晰地将输入内容和输出内容区分开来。针对这个问题，Chrome 团队正在重构布局代码，下一代布局系统叫LayoutNG，试图更清晰地分离输入和输出，从而让新设计的布局算法更加简单。

分层

现在我们有了布局树，而且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？答案依然是否定的。

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-indexing做z轴排序等，为了更加方便地实现这些效果，渲染引擎还需要为特定的节点生成专用的图层，并生成一棵对应的图层树（LayerTree）。正是这些图层叠加在一起构成了最终的页面图像。

打开 Chrome 的开发者工具，选择Layers标签，就可以可视化页面的分层情况，如下图所示：

从上图可以看出，渲染引擎给页面分了很多图层，这些图层按照一定顺序叠加在一起，就形成了最终的页面。

现在你知道了浏览器的页面实际上被分成了很多图层，这些图层叠加后合成了最终的页面。下面我们再来看看这些图层和布局树节点之间的关系，如图所示：

通常情况下，并不是布局树的每个节点都包含一个图层，如果一个节点没有对应的层，那么这个节点就从属于父节点的图层。如上图中的span标签没有专属图层，那么它们就从属于它们的父节点图层。但不管怎样，最终每一个节点都会直接或者间接地从属于一个层。

那么需要满足什么条件，渲染引擎才会为特定的节点创建新的层呢？通常满足下面两点中任意一点的元素就可以被提升为单独的一个图层。

第一点，拥有层叠上下文属性的元素会被提升为单独的一层。

页面是个二维平面，但是层叠上下文能够让 HTML 元素具有三维概念，这些 HTML 元素按照自身属性的优先级分布在垂直于这个二维平面的z轴上。你可以结合下图来直观感受下：

从图中可以看出，明确定位属性的元素、定义透明属性的元素、使用 CSS 滤镜的元素等，都拥有层叠上下文属性。

第二点，需要剪裁（clip）的地方也会被创建为图层。

不过首先你需要了解什么是剪裁，结合下面的 HTML 代码：

<style>
  div {
    width: 200px;
    height: 200px;
    overflow:auto;
    background: gray;
  } 
</style>
<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>