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[译] 现代浏览器内部揭秘(第三部分)

渲染进程的内部机制

这是关于浏览器工作原理博客系列四部分中的第三部分。之前,我们介绍了多进程架构导航流。在这篇文章中,我们将一探渲染进程的内部机制。

渲染进程涉及 Web 性能的许多方面。由于渲染进程的流程太复杂,因此本文只进行概述。如果你想深入了解,可以在 the Performance section of Web Fundamentals 找到相关资源。

渲染进程处理网站内容

渲染进程负责标签页内发生的所有事情。在渲染进程中,主线程处理服务器发送到用户的大部分代码。如果你使用 web worker 或 service worker,部分 JavaScript 将由工作线程处理。合成和光栅线程也在渲染进程内运行,以高效,流畅地呈现页面。

渲染进程的核心工作是将 HTML、CSS 和 JavaScript 转换为用户可以与之交互的网页。

Renderer process

图 1:渲染进程内部包含主线程、工作线程、合成线程和光栅线程

解析(Parsing)

DOM 的构建

当渲染进程收到导航的提交消息并开始接收 HTML 数据时,主线程开始解析文本字符串(HTML)并将其转换为文档对象模型(DOM)。

DOM 是一个页面在浏览器内部表现,也是 Web 开发人员可以通过 JavaScript 与之交互的数据结构和 API。

将 HTML 到 DOM 的解析由 HTML Standard 规定。你可能已经注意到,将 HTML 提供给浏览器这一过程从不会引发错误。像 Hi! <b>I'm <i>Chrome</b>!</i> 这样的错误标记,会被理解为 Hi! <b>I'm <i>Chrome</i></b><i>!</i>,这是因为 HTML 规范会优雅地处理这些错误。如果你好奇这是如何做到的,可以阅读 An introduction to error handling and strange cases in the parser 的 HTML 规范部分。

子资源加载

网站通常使用图像、CSS 和 JavaScript 等外部资源,这些文件需要从网络或缓存加载。在解析构建 DOM 时,主线程按处理顺序逐个请求它们,但为了加快速度,“预加载扫描器(preload scanner)”会同时运行。如果 HTML 文档中有 <img><link> 之类的内容,则预加载扫描器会查看由 HTML 解析器生成的标记,并在浏览器进程中向网络线程发送请求。

DOM

图 2:主线程解析 HTML 并构建 DOM 树

JavaScript 阻塞解析

当 HTML 解析器遇到 <script> 标记时,会暂停解析 HTML 文档,开始加载、解析并执行 JavaScript 代码。为什么?因为JavaScript 可以使用诸如 document.write() 的方法来改写文档,这会改变整个 DOM 结构(HTML 规范里的 overview of the parsing model 中有一张不错的图片)。这就是 HTML 解析器必须等待 JavaScript 运行后再继续解析 HTML 文档原因。如果你对 JavaScript 执行中发生的事情感到好奇,可以看看 V8 团队就此发表的演讲和博客文章

提示浏览器如何加载资源

Web 开发者可以通过多种方式向浏览器发送提示,以便很好地加载资源。如果你的 JavaScript 不使用 document.write(),你可以在 <script> 标签添加 asyncdefer 属性,这样浏览器会异步加载运行 JavaScript 代码,而不阻塞解析。如果合适,你也可以使用 JavaScript 模块。可以使用 <link rel="preload"> 告知浏览器当前导航肯定需要该资源,并且你希望尽快下载。有关详细信息请参阅 Resource Prioritization – Getting the Browser to Help You

样式计算

只拥有 DOM 不足以确定页面的外观,因为我们会在 CSS 中设置页面元素的样式。主线程解析 CSS 并确定每个 DOM 节点计算后的样式。这是有关基于 CSS 选择器对每个元素应用何种样式的信息,这可以在 DevTools 的 computed 部分中看到。

computed style

图 3:主线程解析 CSS 以添加计算后样式

即使你不提供任何 CSS,每个 DOM 节点都具有计算样式。像 <h1> 标签看起来比 <h2> 标签大,每个元素都有 margin,这是因为浏览器具有默认样式表。如果你想知道更多 Chrome 的默认 CSS,可以在这里看到源代码

布局

现在,渲染进程知道每个节点的样式和文档的结构,但这不足以渲染页面。想象一下,你正试图通过手机向朋友描述一幅画:“这里有一个大红圈和一个小蓝方块”,这并不能让你的朋友知道这幅画究竟长什么样。

game of human fax machine

图 4:一个人站在一幅画前,电话线与另一个人相连

布局是计算元素几何形状的过程。主线程遍历 DOM,计算样式并创建布局树,其中包含 x y 坐标和边界框大小等信息。布局树可能与 DOM 树结构类似,但它仅包含页面上可见内容相关的信息。如果一个元素应用了 display:none,那么该元素不是布局树的一部分(但 visibility:hidden 的元素在布局树中)。类似地,如果应用了如 p::before{content:"Hi!"} 的伪类,则即使它不在 DOM 中,也包含于布局树中。

layout

图 5:主线程遍历计算样式后的 DOM 树,以此生成布局树

layout.gif

图 6:由于换行而移动的盒子布局

确定页面布局是一项很有挑战性的任务。即使是从上到下的块流这样最简单的页面布局,也必须考虑字体的大小以及换行位置,这些因素会影响段落的大小和形状,进而影响下一个段落的位置。

CSS 可以使元素浮动到一侧、隐藏溢出的元素、更改书写方向。你可以想象这一阶段的任务之艰巨。Chrome 浏览器有整个工程师团队负责布局。BlinkOn 会议的一些访谈记录了他们工作的细节,有兴趣可以了解一下,挺有趣的。

绘制

drawing game

图 7:一个人拿着笔站在画布前,思考着她应该先画圆形还是先画方形

拥有 DOM、样式和布局仍然不足以渲染页面。假设你正在尝试重现一幅画。你知道元素的大小、形状和位置,但你仍需要判断绘制它们的顺序。

例如,可以为某些元素设置 z-index,此时按 HTML 中编写的元素的顺序绘制会导致错误的渲染。

z-index fail

图 8:因为没有考虑 z-index,页面元素按 HTML 标记的顺序出现,导致错误的渲染图像

在绘制步骤中,主线程遍历布局树创建绘制记录。绘制记录是绘图过程的记录,就像是“背景优先,然后是文本,然后是矩形”。如果你使用过 JavaScript 绘制了 <canvas> 元素,那么这个过程对你来说可能很熟悉。

paint records

图 9:主线程遍历布局树并生成绘制记录

更新渲染管道的成本很高

trees.gif

图 10:DOM + Style、布局和绘制树的生成顺序

渲染管道中最重要的事情是:每个步骤中,前一个操作的结果用于后一个操作创建新数据。例如,如果布局树中的某些内容发生改变,需要为文档的受影响部分重新生成“绘制”指令。

如果要为元素设置动画,则浏览器必须在每个帧之间运行这些操作。大多数显示器每秒刷新屏幕 60 次(60 fps),当屏幕每帧都在变化,人眼会觉得动画很流畅。但是,如果动画丢失了中间一些帧,页面看起来就会卡顿(janky)。

jage jank by missing frames

图 11:时间轴上的动画帧

即使渲染操作能跟上屏幕刷新,这些计算也会在主线程上运行,这意味着当你的应用程序运行 JavaScript 时动画可能会被阻塞。

jage jank by JavaScript

图 12:时间轴上的动画帧,但 JavaScript 阻塞了一帧

你可以将 JavaScript 操作划分为小块,并使用 requestAnimationFrame() 在每个帧上运行。有关此主题的更多信息,请参阅 Optimize JavaScript Execution。你也可以在 Web Worker 中运行 JavaScript 以避免阻塞主线程。

request animation frame

图 13:时间轴上较小的 JavaScript 块与动画帧一起运行

合成

如何绘制一个页面?

naive_rastering.gif

图 14:简单光栅处理示意动画

现在浏览器知道文档的结构、每个元素的样式、页面的几何形状和绘制顺序,它是如何绘制页面的?把这些信息转换为屏幕上的像素,我们称为光栅化。

处理这种情况的一种简单的方法是,先在光栅化视窗内的画面,如果用户滚动页面,则移动光栅框,并光栅化填充缺少的部分。这就是 Chrome 首次发布时处理光栅化的方式。但是,现代浏览器会运行一个更复杂的过程,我们称为合成。

什么是合成

composit.gif

图 15:合成处理示意动画

合成是一种将页面的各个部分分层,分别光栅化,并在称为合成线程的单独线程中合成为页面的技术。如果发生滚动,由于图层已经光栅化,因此它所要做的只是合成一个新帧。动画也可以以相同的方式(移动图层和合成新帧)实现。

你可以在 DevTools 使用 Layers 面板 看看你的网站如何被分层。

分层

为了分清哪些元素位于哪些图层,主线程遍历布局树创建图层树(此部分在 DevTools 性能面板中称为“Update Layer Tree”)。如果页面的某些部分应该是单独图层(如滑入式侧面菜单)但没拆分出来,你可以使用 CSS 中的 will-change 属性来提示浏览器。

layer tree

图 16:主线程遍历布局树生成图层树

你可能想要为每个元素都分层,但是合成大量的图层可能会比每帧都光栅化页面的刷新方式更慢,因此测量应用程序的渲染性能至关重要。有关这个主题的更多信息,请参阅 Stick to Compositor-Only Properties and Manage Layer Count

主线程的光栅化和合成

一旦创建了图层树并确定了绘制顺序,主线程就会将该信息提交给合成线程。接着,合成线程会光栅化每个图层。一个图层可能会跟整个页面一样大,因此合成线程将它们分块后发送到光栅线程。光栅线程光栅化每个小块后会将它们存储在显存中。

raster

图17:光栅线程创建分块的位图并发送到 GPU

合成线程会给不同的光栅线程设置优先级,以便视窗(或附近)内的画面可以先被光栅化。图层还具有多个不同分辨率的块,可以处理放大操作等动作。

一旦块被光栅化,合成线程会收集这些块的信息(称为绘制四边形)创建合成帧

绘制四边形

包含诸如图块在内存中的位置,以及合成时绘制图块在页面中的位置等信息。

合成帧

一个绘制四边形的集合,代表一个页面的一帧。

接着,合成帧通过 IPC(进程间通讯)提交给浏览器进程。此时,可以从 UI 线程或其他插件的渲染进程添加另一个合成帧。这些合成器帧被发送到 GPU 然后在屏幕上显示。如果接收到滚动事件,合成线程会创建另一个合成帧发送到 GPU。

composit

图 18:合成线程创建合成帧,将其发送到浏览器进程,再接着发送到 GPU

合成的好处是它可以在不涉及主线程的情况下完成。合成线程不需要等待样式计算或 JavaScript 执行。这就是为什么仅合成动画被认为是流畅性能的最佳选择。如果需要再次计算布局或绘制,则必须涉及主线程。

总结

在这篇文章中,我们研究了渲染管道从解析到合成的整个过程,希望现在你能自主地去了解更多关于网站性能优化的信息。

在本系列的下一篇也是最后一篇文章中,我们将更详细地介绍合成线程,看看当用户移动或点击鼠标时会发生什么。

你喜欢这篇文章吗?如果你对之后的文章有任何问题或建议,我很乐意在下面的评论部分或推特 @kosamari 与你联系。

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