21 浏览器渲染原理

注意：该章节都是一个面试题。

21.1 渲染过程

浏览器渲染流水线：HTML→DOM、CSS→CSSOM，合成 Render Tree → Layout(重排) → Paint(重绘) → Composite(合成)

1. 浏览器接收到 HTML 文件并转换为 DOM 树

当我们打开一个网页时，浏览器都会去请求对应的 HTML 文件。虽然平时我们写代码时都会分为 JS、CSS、HTML 文件，也就是字符串，但是计算机硬件是不理解这些字符串的，所以在网络中传输的内容其实都是 0 和 1 这些字节数据。当浏览器接收到这些字节数据以后，它会将这些字节数据转换为字符串，也就是我们写的代码。

当数据转换为字符串以后，浏览器会先将这些字符串通过词法分析转换为标记（token），这一过程在词法分析中叫做标记化（tokenization）

那么什么是标记呢？这其实属于编译原理这一块的内容了。简单来说，标记还是字符串，是构成代码的最小单位。这一过程会将代码分拆成一块块，并给这些内容打上标记，便于理解这些最小单位的代码是什么意思

当结束标记化后，这些标记会紧接着转换为 Node，最后这些 Node 会根据不同 Node 之前的联系构建为一颗 DOM 树

以上就是浏览器从网络中接收到 HTML 文件然后一系列的转换过程

当然，在解析 HTML 文件的时候，浏览器还会遇到 CSS 和 JS 文件，这时候浏览器也会去下载并解析这些文件，接下来就让我们先来学习浏览器如何解析 CSS 文件

2. 将 CSS 文件转换为 CSSOM 树

其实转换 CSS 到 CSSOM 树的过程和上一小节的过程是极其类似的

  • 在这一过程中，浏览器会确定下每一个节点的样式到底是什么，并且这一过程其实是很消耗资源的。因为样式你可以自行设置给某个节点，也可以通过继承获得。在这一过程中，浏览器得递归 CSSOM 树，然后确定具体的元素到底是什么样式。

如果你有点不理解为什么会消耗资源的话，我这里举个例子

    <div>
      <a> <span></span> </a>
    </div>
    <style>
      span {
        color: red;
      }
      div > a > span {
        color: red;
      }
    </style>

对于第一种设置样式的方式来说，浏览器只需要找到页面中所有的 span 标签然后设置颜色，但是对于第二种设置样式的方式来说，浏览器首先需要找到所有的 span 标签，然后找到 span 标签上的 a 标签，最后再去找到 div 标签，然后给符合这种条件的 span 标签设置颜色，这样的递归过程就很复杂。所以我们应该尽可能的避免写过于具体的 CSS 选择器，然后对于 HTML 来说也尽量少的添加无意义标签，保证层级扁平

3. 生成渲染树

当我们生成 DOM 树和 CSSOM 树以后，就需要将这两棵树组合为渲染树

  • 在这一过程中，不是简单的将两者合并就行了。渲染树只会包括需要显示的节点和这些节点的样式信息，如果某个节点是 display: none 的，那么就不会在渲染树中显示。
  • 当浏览器生成渲染树以后，就会根据渲染树来进行布局（也可以叫做回流），然后调用 GPU 绘制，合成图层，显示在屏幕上。对于这一部分的内容因为过于底层，还涉及到了硬件相关的知识，这里就不再继续展开内容了。

21.2 为什么操作 DOM 慢

想必大家都听过操作 DOM 性能很差，但是这其中的原因是什么呢？

  • 因为 DOM是属于渲染引擎中的东西，而 JS 又是 JS 引擎中的东西。当我们通过 JS 操作 DOM 的时候，其实这个操作涉及到了两个线程之间的通信，那么势必会带来一些性能上的损耗。操作 DOM 次数一多，也就等同于一直在进行线程之间的通信，并且操作 DOM 可能还会带来重绘回流的情况，所以也就导致了性能上的问题。

经典面试题：插入几万个 DOM，如何实现页面不卡顿？

  • 对于这道题目来说，首先我们肯定不能一次性把几万个 DOM 全部插入，这样肯定会造成卡顿，所以解决问题的重点应该是如何分批次部分渲染 DOM。大部分人应该可以想到通过 requestAnimationFrame 的方式去循环的插入 DOM，其实还有种方式去解决这个问题：虚拟滚动（virtualized scroller）。
  • 这种技术的原理就是只渲染可视区域内的内容，非可见区域的那就完全不渲染了，当用户在滚动的时候就实时去替换渲染的内容

从上图中我们可以发现，即使列表很长，但是渲染的 DOM 元素永远只有那么几个，当我们滚动页面的时候就会实时去更新 DOM，这个技术就能顺利解决这道经典面试题

21.3 什么情况阻塞渲染

  • 首先渲染的前提是生成渲染树，所以 HTML 和 CSS 肯定会阻塞渲染。如果你想渲染的越快，你越应该降低一开始需要渲染的文件大小，并且扁平层级，优化选择器。
  • 然后当浏览器在解析到 script 标签时，会暂停构建 DOM，完成后才会从暂停的地方重新开始。也就是说，如果你想首屏渲染的越快，就越不应该在首屏就加载 JS文件，这也是都建议将 script 标签放在 body 标签底部的原因。
  • 当然在当下，并不是说 script 标签必须放在底部，因为你可以给 script 标签添加 defer 或者 async 属性。
  • 当 script 标签加上 defer 属性以后，表示该 JS 文件会并行下载，但是会放到 HTML 解析完成后顺序执行，所以对于这种情况你可以把 script标签放在任意位置。
  • 对于没有任何依赖的 JS 文件可以加上 async 属性，表示 JS 文件下载和解析不会阻塞渲染。

21.4 重绘（Repaint）和回流（Reflow）

重绘和回流会在我们设置节点样式时频繁出现，同时也会很大程度上影响性能。

  • 重绘是当节点需要更改外观而不会影响布局的，比如改变 color 就叫称为重绘
  • 回流是布局或者几何属性需要改变就称为回流。
  • 回流必定会发生重绘，重绘不一定会引发回流。回流所需的成本比重绘高的多，改变父节点里的子节点很可能会导致父节点的一系列回流。

以下几个动作可能会导致性能问题 ：

  • 改变 window 大小
  • 改变字体
  • 添加或删除样式
  • 文字改变
  • 定位或者浮动
  • 盒模型

并且很多人不知道的是，重绘和回流其实也和 Eventloop 有关。

  • 当 Eventloop 执行完 Microtasks 后，会判断 document 是否需要更新，因为浏览器是 60Hz 的刷新率，每 16.6ms 才会更新一次。
  • 然后判断是否有 resize 或者 scroll 事件，有的话会去触发事件，所以 resize 和 scroll 事件也是至少 16ms 才会触发一次，并且自带节流功能。
  • 判断是否触发了 media query
  • 更新动画并且发送事件
  • 判断是否有全屏操作事件
  • 执行 requestAnimationFrame回调
  • 执行 IntersectionObserver 回调，该方法用于判断元素是否可见，可以用于懒加载上，但是兼容性不好 更新界面
  • 以上就是一帧中可能会做的事情。如果在一帧中有空闲时间，就会去执行 requestIdleCallback回调

21.5 减少重绘和回流

  1. 使用 transform 替代 top
    <div class="test"></div>
    <style>
      .test {
        position: absolute;
        top: 10px;
        width: 100px;
        height: 100px;
        background: red;
      }
    </style>
    <script>
      setTimeout(() => {
        // 引起回流
        document.querySelector('.test').style.top = '100px'
      }, 1000)
    </script>
  1. 使用 visibility 替换display: none ，因为前者只会引起重绘，后者会引发回流（改变了布局）
  2. 不要把节点的属性值放在一个循环里当成循环里的变量
    for(let i = 0; i < 1000; i++) {
        // 获取 offsetTop 会导致回流，因为需要去获取正确的值
        console.log(document.querySelector('.test').style.offsetTop)
    }
  1. 不要使用 table 布局，可能很小的一个小改动会造成整个 table 的重新布局
  2. 动画实现的速度的选择，动画速度越快，回流次数越多，也可以选择使用 requestAnimationFrame
  3. CSS 选择符从右往左匹配查找，避免节点层级过多
  4. 将频繁重绘或者回流的节点设置为图层，图层能够阻止该节点的渲染行为影响别的节点。比如对于 video 标签来说，浏览器会自动将该节点变为图层。

设置节点为图层的方式有很多，我们可以通过以下几个常用属性可以生成新图层

  • will-change
  • video、iframe 标签
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Contributors: leeguooooo