浏览器渲染原理

引言

作为前端开发者，理解浏览器的渲染原理是优化网页性能的关键。最近在学习过程中，我对浏览器的渲染流程有了更深入的理解，特此记录下来，希望能帮助到其他同学。

渲染流程概述

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。

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、合成

每个阶段都有明确的输入输出，上个阶段的输出会成为下个阶段的输入。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. HTML 解析

渲染的第一步是解析 HTML。解析过程中遇到 CSS 会解析 CSS，遇到 JS 会执行 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。

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。

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。

操作元素样式的两种方式

1. dom.style（直接操作元素样式，常用）
2. document.styleSheet（通过修改内部样式或外部样式来操作，不常用）

例如：

document.styleSheets[0].addRule("div", "border:2px solid #f40 !important"); // 给页面上所有div添加红色边框

2. 样式计算

渲染的下一步是样式计算。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 ComputedStyle。

在这一过程中，很多预设值会变成绝对值，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。

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 树的每个节点，计算每个节点的几何信息。例如节点的宽、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：

• display:none 的节点没有几何信息，因此不会生成到布局树
• 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
• 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

DOM 树和 Layout 树的对应关系

以下元素在浏览器源码中默认赋予了 display:none：

base,
basefont,
datalist,
head,
link,
meta,
noembed,
noframes,
param,
rp,
script,
style,
template,
title {
  display: none;
}

::before，::after 等伪元素选择器，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。

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。

5. 绘制

这里的绘制，是为每一层生成如何绘制的指令。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。

渲染主线程的工作到此为止，剩余步骤交给其他线程完成。

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。

合成线程先对每个图层进行分块，将其划分为更多的区域。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。合成线程会将块信息交给 GPU 进程，以极快的速度完成光栅化。

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。

此过程会用到 GPU 加速，大大提高了渲染效率。

8. 合成

最后一个阶段就是合成。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。

常见面试题

什么是 reflow？

reflow 的本质就是重新计算 layout 树。当进行了会影响布局树的操作后，需要重新计算布局树，会引发 layout。

例如：

• dom.style.width = '100px'
• dom.style.padding = '10px'
• dom.style.margin = '10px'

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，最终决定获取属性即 reflow。

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。

例如：

• color: red
• background-color: blue

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。

如何优化渲染性能？

1. 减少 reflow 和 repaint：
   • 批量修改样式，避免频繁操作 DOM
   • 使用 transform 和 opacity 进行动画，它们不会触发 reflow
   • 使用 will-change 属性提示浏览器可能发生的变化
2. 优化 CSS：
   • 避免使用复杂的选择器
   • 减少 CSS 层级
   • 使用 CSS 动画代替 JS 动画
3. 优化 JS：
   • 避免在布局完成后修改 DOM
   • 使用 requestAnimationFrame 进行动画
   • 避免长时间运行的 JS 代码阻塞渲染
4. 合理使用图层：
   • 对于需要频繁动画的元素，考虑使用 transform: translateZ(0) 或 will-change 来创建新图层