2023-06-30
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目录

常见面试题
导航过程
渲染流程
完整渲染流程
DOM解析
DOM树 如何生成
JS影响DOM解析吗?
CSS影响DOM解析吗?
显示器是如何显示图像的
双缓存
卡顿
Chrome中的合成技术
浏览器渲染一帧做了什么?
重排
重绘
直接合成
其他
性能优化
performance指标
网页核心性能指标
更多性能指标
与渲染相关的性能优化
GPU加速
will-change
css contain

本文以“当浏览器输入URL之后发生了什么”为主线系统阐述浏览器解析和渲染的过程,当然有一些知识点如DNS网络协议等,会提一嘴但不属于本文范畴不会深入讲解,此外本文还会介绍网页性能指标相关

常见面试题

  • 当浏览器输入URL发生了什么?
  • 说一说浏览器的渲染流程
  • 哪些属性会触发重排?
  • 为什么CSS动画比JavaScript动画高效?
  • 为什么有时候⽤translate来改变位置⽽不是定位?

image.png

导航过程

用户发出URL请求到页面开始解析的过程叫做导航

导航.drawio.png

红色为第一次请求(主线)

渲染流程

完整渲染流程

完成的渲染流程示意图

image.png

具体流程细节如下

渲染流程.drawio.png

大致总结:

  1. 渲染进程将HTML内容转换成DOM树结构
  2. 渲染引擎将CSS样式转换为styleSheets, 计算出dom节点样式
  3. 创建布局树,并计算元素的布局信息
  4. 对布局树进行分层,并生成分层树
  5. 为每个图层生成绘制列表并将其提交给合成线程
  6. 合成线程将图层分成图块,并在光珊化线程池中将图块转换成位图
  7. 合成线程发送绘制图块的命令DrawQuad给浏览器进程
  8. 浏览器进程根据DrawQuad消息生成页面并显示到显示器上

DOM解析

HTML 与DOM 的关系

  • HTML是死的, DOM是活的,渲染引擎将HTML转换成DOM之后才能理解内部结构

DOM的作用

  • 从页面的视角来看: DOM是生成页面的基础数据结构
  • 从JavaScript视角来看: JS可以对DOM结构进行访问,从而改变文档中的结构、样式和内容
  • 从安全视角来看:DOM是一道安全防线,一些不完全的内容在DOM解析阶段就被拒之门外了。

DOM树 如何生成

思考: HTML的解析是等待整个HTML加载完成之后开始解析,还是随着HTML文档边加载边解析?

答案 肯定是后者,因为效率高,具体流程如下

  • 网络进程收到响应头后,根据content-type判断文件的类型,如过是“text/html”在浏览器进程的协调下,网络进程和渲染进程之间会建立一个共享数据的管道。网络进程收到数据后就忘这个管道投放,渲染进程收到后会“喂”给HTML解析器
  • 网络传输过来的是字节流,字节流是如何转换成DOM的呢?
  • image.png
    • 第一个阶段,通过分词器将字节流转换为 Token
    • 第二个和第三个阶段是同步进行的,需要将 Token 解析为 DOM 节点,并将 DOM 节点添加到 DOM 树中。
  • HTML解析器通过栈结构来解析的

JS影响DOM解析吗?

因为JS文件的下载过程会阻塞DOM解析,而通常下载又是非常耗时的,会受到网络环境、JavaScript 文件大小等因素的影响。

不过 Chrome 浏览器做了很多优化,其中一个主要的优化是预解析操作。当渲染引擎收到字节流之后,会开启一个预解析线程,用来分析 HTML 文件中包含的 JavaScript、CSS 等 相关文件,解析到相关文件之后,预解析线程会提前下载这些文件。

开发中我们可以通过一些方案来规避

  1. 静态资源使用CDN加速
  2. 压缩JS文件体积
  3. 标记async或defer 或 type='module'

CSS影响DOM解析吗?

  • 一般情况下,浏览器遇到<link>标签会异步下载并继续解析HTML
  • 但是如果遇到JS操作DOM会暂停JS解析,等待CSS下载完成并应用才继续解析JS(强制布局),这时候CSS就间接影响DOM解析了

image.png

补充知识点:

  • 强制布局: 如果JS操作DOM 会暂停JS执行,等待渲染完成再执行JS
  • 布局抖动: 多次强制布局

显示器是如何显示图像的

双缓存

很多图形操作都很复杂需要大量的运算,比如一副完整的画面,可能需要很多次计算才能完成,如果每次计算完成一部分图像,就将其写入缓冲区,那么会造成一个后果就是现实一个稍微复杂的图像过程中,你看到的页面效果可能是一部分一部分地显示出来,因此刷新页面的过程中,让用户感觉到界面的闪烁

使用双缓存,可以让你将计算的中间结果放在另一个缓冲区,等全部计算技术,该缓存区已经存储了完整的图形之后,再将该缓冲区的图像数据一次性复制到缓冲区,这样整个图像的输出非常稳定。

虚拟DOM与真实DOM 真实DOM的问题:因为JS是单线程,DOM操作与JS执行互斥,如果JS对DOM的操作不当可能引发强制同步布局和布局抖动的问题,这些操作会大大降低渲染效率。 在这里你可以类比,把虚拟DOM堪称DOM的一个buffer,和图形显示一样,它会在完成一次完整的操作之后,再把结果应用到DOM上,这样就能减少一些不必要的更新,同时能保证DOM的稳定输出

卡顿

  1. 显示器一般固定频率每秒60次读取前缓冲区的图像
    1. 浏览器根据垂直同步信号来进行渲染, 这个时钟是16.67ms(1000/60=16.67)
    2. 60帧/s大约是人眼能识别的最小帧率,低于这个频率就会感觉卡顿
  2. 显卡负责合成新的图像,并将图像保存到后缓冲区中,一旦显卡把合成的图像写到后缓冲区,系统会将前后缓冲区内容互换。
    1. 通常显卡的更新频率和显示器的刷新频率一致
    2. 如果JS执行时间过长,就会发生丢帧(跳过当前渲染,继续执行JS)然后等待下一个垂直同步信号。

Chrome中的合成技术

chrome中的合成技术可以用三个词来概括总结:分层、分块和合成

为什么要引入分层合成机制?

  • 通常页面的去成是非常复杂的,有的页面需要实现一些复杂的动画效果,比如点击菜单时弹出菜单动画效果,滚动鼠标滚轮时的动画效果,当然还有一些酷炫的3D动画效果。
  • 如果没有采用分层机制,从布局直接到生成目标图片的话,那么每次页面很小的变化时。都会触发重排或重绘机制,这种牵一发而动全身的绘制策略会严重影响页面的渲染效率。
  • 合成是在合成线程中完成的,不阻塞主线

分层合成机制的实现

  • 生成绘制列表(比如Paint BackGroundColor: Black | PaintCircle)
  • 光珊化:就是按照绘制列表生成图片,合成线程有了这些图片,会将这些图片合成一张图片,并最终生成图片发送到后缓冲区。

分块

  • 通常情况下页面的内容要比屏幕大得多,显示一个页面时,如果等待所有图层都生成完毕,再进行合成的话,会产生一些不必要的开销,这让合成图片的时间变得更久。
  • 所以合成线程将图层分割成大小固定的图块,优先绘制靠近适口的图块,这样就可以大大提高页面的显示速度。
  • 即便如此,也可能耗费不少时间,因为纹理上传(从计算机内存上传到GPU内存)的操作比较慢
  • 所以Chrome又有了一个策略:在首次合成图块的时候使用一个低分辨率的图片。比如可以时正常分辨率的一般,纹理就减少3/4

如何分层优化代码

  • 使用will-change告诉显然引擎你会对该元素做一些特效变换
  • will-change: transform;
  • 渲染引擎会讲该元素单独实现一帧,等待变换发生时,渲染引擎会通过合成线程去处理变换,不影响主线程的执行,这样大大提高了渲染效率。这也是CSS动画比JavaScript动画高效的原因(1)
  • 凡事都有两面性,渲染引擎为该元素准备一个独立的层,它占用的空间也会大大增加。

浏览器渲染一帧做了什么?

前面的渲染流程是指首屏渲染的过程,然而渲染渲染第二帧及后续帧则不需要那么麻烦。一般经历重排或重绘或合成三个过程之一即可

重排

如果改变了元素的几何属性,例如盒模型相关,浏览器会触发重新布局,解析之后的一些列子阶段。也叫回流

image.png

触发页面重布局的属性

  • 盒子模型相关属性会触发重布局
    • width height padding margin border-width border min-height
    • display
  • 定位属性及浮动也会触发重布局
    • top bottom left right position float clear
  • 改变节点内部文字结构也会触发重布局
    • text-align font-weight overflow font-family line-height vertival-align white-space font-size

重绘

render tree中的一些元素需要更新属性,而这些属性只是影响元素的外观,风格,而不会影响布局的,比如background-color。则就叫称为重绘。

相对于重排:重绘省去了布局和分层阶段,所以执行效率要比重排操作要高一些

image.png

只触发重绘的属性

  • color border-style border-radius text-decoration visibility
  • background background-image background-position background-repeat background-size
  • outline-color outline outline-style outline-width box-shadow

直接合成

image.png

假如我们使用了CSS的transform来实现动画效果,这可以避开重排和重绘,合成能大大提升绘制效率

  • 因合成再非主线程运行,这个也是为什么CSS动画性能比JS动画性能好的原因(2)

其他

完整的一帧 image.png

  • requestAnimationFrame 在渲染一帧前如果有空闲时间则执行它
  • requestIdelCallback 在每一帧渲染后,下一帧绘制之前如果有空闲时间,则调用之

像素管道 image.png

性能优化

performance指标

window.performance.timing

  1. navigationStart 触发跳转的时间,如果没有前一个页面则是从fetchStart开始
  2. unloadEventStart / unloadEventEnd 前一个页面卸载的时间戳,无上一个页面,默认0
  3. redirectStart / redirectEnd 如果没有重定向两个值都是0
  4. worker 初始化事件 + 加载事件的时间
  5. fetchStart 页面开始的事件
  6. DomainLookupStart / DomainLookupEnd DNS 递归解析 迭代查询的时间, 这里会拿到 domain 对应的 ip
  7. connectStart / connectEnd 等待TCP队列及三次握手时间 a. chrome有个机制,同一个域名,同时最多只能建立6个TCP连接,剩下的请求会进入排队等待状态
  8. secureConnectionStart 建立https连接的时间
  9. requestStart / responseEnd 请求时间
  10. domLoading 开始加载DOM
  11. domInteractive 只是完成dom的解析,并没有开始加载网络资源
  12. domContentLoadedEventStart / domContentLoadedEventEnd 开始解析DOM树事件 readyStateChange
  13. domComplete DOM树ready
  14. loadEventStart / loadEventEnd 执行脚本开始与结束

网页核心性能指标

上述指标到 domComplete只是index.html加载完成的首次渲染,对于SPA应用来说还基本处于白屏状态,衡量网站性能还需要更多指标

Core Web Vitals(网页核心性能指标)是 Google(谷歌)认为在网页的整体用户体验中很重要的一组特定因素。它是由三个特定的页面速度和用户交互测量值组成:链路控制协议、网页交互性和可视元素偏移。

LCP(Largest Contentfull Paint)最大内容渲染时间 衡量页面装载的性能,页面加载前2.5s内必须要进行最大内容渲染 最大内容包括

  • <image> <svg> <video>
  • 通过url加载内容的模块
  • 主要文本模块以及起内联模块

LCP值低的原因

  • 资源慢 包含静态资源和动态资源 静态资源可以走缓存+cdn
  • 渲染逻辑 简化DOM结构与逻辑

FID(First Input Delay) 衡量交互体验 页面首次输入延迟小于100ms

  • 优化DOM渲染
  • 优化算法 JS逻辑 (时间与空间的权衡)
  • 预获取 预加载 懒加载 首屏服务端渲染
  • 解决长任务问题阻塞渲染50ms以上,尽量拆分做交互弥补, 再比如react时间切片的思想
  • 使用 JS workers 缓解DOM渲染与JS执行阻塞问题
    • Web worker / Service worker / worklet
javascript
// main.js const worker = new Worker('./worker.js'); worker.postMessage(' Come on & work~'); worker.onmessage = function(e) { console.log(e.data); } // worker.js self.onmessage = function(e) { console.log(e.data); self.postMessage('干完了,下班了') }
javascript
// main.js navigator.serviceWorker.register('service-worker.js'); // service-worker.js self.addEventListener('install', fn) self.addEventListener('active', fn) self.addEventListener('fetch', (e) => { e.respondwith(catchs.match(event.request)) })
javascript
// worklet 俗称 JS in CSS /* main.js */ CSS.paintWorklet.addModule('worklet.js'); /* worklet.js */ registerPaint('myGradient', class { paint(ctx, size, prop) { var gradient = ctx.createLinearGradient(0, 0, 0, size.height - 5); gradient.addColorStop(0, "black"); gradient.addColorStop(1, "white"); ctx.fillStyle = gradient; ctx.fillRect(0, 0, size.width, size.height); } }) /* app */ .content { background-image: paint(myGradient); }

CLS (Cumulative Layout Shift)

  • 累计布局偏移 - 衡量视觉稳定性

  • 页面要保持CLS小于0.1 => 可见元素从前一帧到后一帧改变位置的动作

  • 避免使用无尺寸元素

html
<img srcset="a-320w.jpg 320w,a-480w.jpg 480w, a-800w.jpg 800w," sizes="(max-width: 320px) 300px, (max-width: 480px) 440px, 800px">
  • 减少内部内容的插入 => 会影响整体的布局
  • 字体控制

chrome应用商店有个CWV工具 Core Web Vitals Annotations

chrome devtools performance

  • FPS、CPU、网络请求
  • 网络任务队列
  • JS消耗时间、性能占用
  • 浏览器绘制页面的帧布局

更多性能指标

image.png

  • FP(First Paint),表示渲染出第一个像素点。FP一般在HTML解析完成或者解析一部分时候触发。
  • FCP(First Contentful Paint),表示渲染出第一个内容,这里的“内容”可以是文本、图片、canvas。
  • FMP(First Meaningful Paint),首次渲染有意义的内容的时间,“有意义”没有一个标准的定义,FMP的计算方法也很复杂。
  • DCL(DOMContentLoaded),DOM解析完毕。
  • L (onLoad Event) onLoad事件触发
  • SI(Speed Index)速度指数
  • **FSP **(First Screen Paint)首屏时间
  • TTI(Time to Interactive)首次可交互时间
  • TTFB (Time to First Byte)接收首子节时间
  • LCP(largest contentful Paint),最大内容渲染时间。
  • TBT(Total Blocking Time)阻塞总时间

js可以通过PerformanceObserver 获取这些指标

js
// 创建一个新的 PerformanceObserver 实例 let observer = new PerformanceObserver((list) => { for (const entry of list.getEntries()) { // 处理每个性能条目 console.log(entry); } }); // 开始观察特定类型的性能条目 observer.observe({ entryTypes: ['paint', 'mark', 'measure'] }); // 在不需要时,停止观察 // observer.disconnect();

衡量性能的工具

  • Chrome Devtools performance
  • Lighthouse
  • WebPageTest
  • web-vitals

与渲染相关的性能优化

GPU加速

  • CPU位于计算机的主板上,它被称为计算机的大脑
  • GPU位于计算机的显卡上,专门负责处理和渲染图像,所以它的效率更高

硬件加速又称GPU加速, 以来浏览器渲染时使用的分层模型

  • CSS的animationtransformtransition不会自动进行GPU加速
  • CSS有一些为数不多的属性如opacity translateZ() translate3d()会开启硬件加速

注意 GPU加速也有缺点

  1. 创建新图层,会占用更多的内存,尤其在移动端,移动端设备内存有限
  2. 耗电

will-change

  • will-change属性允许你提前告知浏览器你可能会对一个元素进行什么样的改变,这样浏览器就可以提前设置适当的优化
  • 使用 will-change 属性并不会立即触发元素的重绘或重排
  • 浏览器会对相应的元素做出优化,例如为其创建新的图层,以便在动画期间进行硬件加速,从而提高性能。

will-change 属性有以下几种使用方式:

指定要改变的属性:will-change: property;,其中 property 是要改变的 CSS 属性的名称,比如 transformopacityscroll-position 等。

指定多个属性:will-change: property1, property2, ...;,可以同时指定多个属性,以逗号分隔。

全局优化提示:will-change: auto;,表示元素可能会有任何属性的改变。

注意事项

  • will-change 不要滥用,浏览器进行优化准备也有成本
  • 在一个元素发生变化之前立即对其设置will-change,几乎没有任何效果
  • 元素变化完成且后续不在需要 要及时的移除will-change

本段落参考资料

css contain

  • 浏览器已经尽可能的在页面下做了最大的优化,但每个浏览器引擎的实现方法并不尽相同。
  • 而 contain 属性可以提供一种标准的方式让开发人员告诉 浏览器 某些方面可以这样优化,哪些不能优化。
  • contain保证了它和它的子元素的DOM变化不会触发父元素的重新布局、渲染等。

contain 属性值有7中

  • none
  • layout 告知浏览器此元素及子元素不会在影响外部元素的布局
  • style 官方说辞是因为存在某些风险,暂时被移除,可能在规范的第二版会重新定义吧
  • paint 元素的子元素不会在此元素的边界之外被展示
  • size 元素的渲染不会受到其子元素内容的影响。
  • content 相当于 contain: size layout paint
  • strict 相当于 contain: layout paint

本段参考资料

本文作者:郭敬文

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