现代浏览器内部工作原理

汇总图

计算机的核心CPU和GPU

CPU：Central Processing Unit(中央处理器)，中心处理器是计算机的大脑，每个CPU核心会逐一执行不同任务现在很多计算机都是多芯片，多内核的。

GPU:Graphics Processing Unit(图形处理器),GPU擅长处理跨内核的简单任务，是为了解决图形而开发的。在图形环境中，“使用GPU支持”和“使用CPU”都与快速渲染与顺滑渲染有关。

许多带扳手的GPU内核说明它们只能执行处理有限任务

当启动电脑时候，是CPU和GPU为应用供能。通常情况下，应用是通过操作系统提供的机制在CPU和GPU上运行。

三层计算机系结构：底部是机器硬件，中间是操作系统，顶层是应用程序。

在进程和线程上执行程序进程（process）和线程（thread)

进程作为边界框，线程为里面抽象的鱼在游动

进程可以被描述为一个应用的执行程序，线程存在于进程并执行任意部分。

启动应用时，会创建一个或者多个进程来帮助应用工作，操作系统为进程提供了一块可以使用的“内存”，应用的所有状态都保存在该私有内存空间中，关闭应用，进程会关闭，操作系统释放内存。

进程可以请求操作系统的另一个进程来执行不同的任务。此时，会分配不同的内存给新进程，进程之间可以通过（IPC:Inter Process Communication）进行通讯。应用的某个工作进程失去响应，该进程就可以在不停止应用程序其他进程的情况下，重启。

独立进程通过IPC通信示意图

浏览器架构

不同的浏览器可能是多进程或者单进程的。

Chrome浏览器架构，使用多进程的架构

浏览器顶层是浏览器进程（Browser process），与浏览器其他应用模块进行协调工作。

Chrome浏览器各个进程的工作：

Browser Process:
- 地址栏，书签栏，前进后退按钮等信息
- 不可见的一些操作，请求，文件访问等
Rederer Process
- 负责一个网页tab的的所有工作
Plugin Process
- 插件进程，处理一个网页用到的插件，例如Flash的插件
GPU Process
- 负责处理GPU相关的工作 *还有其他进程，例如：扩展应用，应用进程

不同进程指向浏览器 UI 的不同部分

谷歌浏览器每一个站点（网页）都是独立的进程，这样可以保证即使网页崩溃了，其他网页也不会受到影响。浏览器有多个进程的好处就是安全性跟跟沙箱化。由于操作系统提供了限制进程权限的方法，浏览器就可以用沙箱保护某些进程。由于进程有自己的私有内存空间，所以每个进程都有公共基础设施的拷贝，这也意味着会占用更多的内存，当运行达到极限时候，Chrome对于同一站点的不同标签页，会使用同一进程。

当Chrome运行在强力硬件上时，会把不同的服务功能模块分配到不同的进程，从而提升稳定性，但是当运行在弱硬件设备时候，会将一些服务功能模块整合到同一个进程以节约内存，但是相应的稳定性也会下降。

每个Iframe的渲染进程）——站点隔离

站点隔离实现每个Iframe运行在独立的渲染进程。每个tab站点单独运行一个进程，站点内的Iframe运行一个单独的渲染进程，这样在不同的站点内，相同Iframe可以共享内存。

同源策略是web的安全模型，也就是某一站点在没有授权的情况下，其他站点是不能获取其数据的。进程隔离是分离站点的最高效手段。

站点隔离示意图

导航时候发生了什么？

它以浏览器进程(Browser Process)开始

浏览器进程管理一切除Ta外之外的一切，浏览器进程内有很多线程，例如绘制浏览器的按钮和输入栏的UI线程、处理网络栈以从因特网获取获取的网络线程、控制文件访问的存储线程。当输入URL,输入由浏览器的进程的UI线程处理。

顶部是浏览器 UI，底部是拥有 UI、网络和存储线程的浏览器进程图

一个简单的导航

处理输入

浏览器进程的UI线程首先确定是搜索查询还是一个URL。UI线程决定是搜索内容到搜索引擎还是去一个网站。

UI 线程询问输入内容是搜索查询还是 URL 地址

当按下Enter键，UI线程启用网络去调取获取站点内容，加载动画会显示在标签页的一角。网络线程会通过适当的协议，为请求建立TLS连接。

SSL(Secure Sockets Layer 安全套接层),及其继任者传输层安全（Transport Layer Security，TLS）是为网络通信提供安全及数据完整性的一种安全协议。TLS与SSL在传输层对网络连接进行加密。

SSL协议位于TCP/IP协议与各种应用层协议之间，为数据通讯提供安全支持。SSL协议可分为两层： SSL记录协议（SSL Record Protocol）：它建立在可靠的传输协议（如TCP）之上，为高层协议提供数据封装、压缩、加密等基本功能的支持。

安全传输层协议（TLS）用于在两个通信应用程序之间提供保密性和数据完整性。该协议由两层组成： TLS 记录协议（TLS Record）和 TLS 握手协议（TLS Handshake）。较低的层为 TLS 记录协议，位于某个可靠的传输协议（例如 TCP）上面，与具体的应用无关，所以，一般把TLS协议归为传输层安全协议。

Roger[ˈrɑ:dʒə(r)]:无线通信答语：收到。UI 线程告诉网络线程要导航到 mysite.com

在这时，网络线程可能会收到像 HTTP 301 那样的服务器重定向头。这种情况下，网络线程会告诉 UI 线程，服务器正在请求重定向。然后，另一个 URL 请求会被启动。

读取响应

包含 Content-Type 的响应头以及作为实际数据的 payload

一旦开始收到响应主体，网络线程会查看数据流的前几个字节，响应报文的Content-Type字段会声明数据的类型。但可能存在丢失会错误。所以有了MIME类型嗅探来解决这个问题。

如果响应是一个HTML文件，那么下一步就会把数据传给渲染进程，如果是一个下载的文件，意味着是一个下载请求，会把它传递给下载器管理器。

网络线程询问一个响应数据是否是从安全网站来的 HTML

此时也会进行safeBrowsing检查，如果域名和数据匹配到一个恶意网站，那么网络线程会显示一个警告页面。此外也会进行Cross Origin Read Bloking (CORB)检查，以确保敏感的跨域数据不被传给渲染进程。

查找渲染进程

一旦所有的检查处理完毕并且网络线程确定会导航到请求的站点，网络请求线程会告诉UI线程所有的数据请求完毕。UI线程会寻找渲染进程开始渲染Web页面。

网络线程告诉 UI 线程去查找渲染进程

由于网络请求线程会花费时间，一次可以应用一个优化措施，当UI线程正发送一个URL请求给网络线程时候，可以同时查找开启一个渲染进程待命，如果导航重定向，这个渲染进程或许不会用到。

提交导航

现在数据和渲染进程就绪，浏览器会发送一个IPC(进程间通信)到渲染进程去提交导航，他也会传递数据流，所以渲染进程会保持接受HTML数据，一旦浏览器进程收到渲染进程已经提交的确认信息，导航完毕并且文档加载解析开始。

这时，地址栏已经更新，安全指示器和站点设置UI会放映新页面的站点信息，此标签页的session历史记录被更新，所以前进后退按钮会走向刚导航过的站点，当你关闭标签页或者窗口，为了优化Tab/session的还原，session历史被保存在硬盘上。

浏览器和渲染进程间的 IPC，请求渲染页面。

额外的步骤：初始加载完毕

一旦导航别提交，渲染进程开始加载资源和渲染页面，一旦渲染进程渲染完毕，会发送IPC返回给浏览器进程，（这也会所有frameh和onload事件已经触发和执行完毕后发生）。这时，UI线程停止标签页上的加载动画。

导航到另一个站点

简单导航已经完成，在导航栏在输入一个URL时，浏览器进程会先检查已经渲染的站点是否关心beforeUnload事件，确认没有的话，就会执行相同的操作，导航到另一个站点。

befounload事件会在用户离开或者关闭标签页面时候给予提醒“离开此站点”。

注意：不要添加无条件的beforeunload处理程序，会产生延时。

浏览器进程向渲染进程发送 IPC 告诉它将要导航到另一个站点

如果渲染进程启动了导航（window.location.herf=xxx）,渲染进程会先检查befoeload事件处理程序，会像浏览器处理导航一样执行相同的步骤，唯一不同的是导航请求是由渲染进程发送到浏览器进程的。

当新导航到新站点时，会调用一个独立的渲染进程来处理导航，同时保留当前的渲染进程来处理unload事件。

2 个 IPC（从浏览器进程到新渲染进程）告知渲染页面并告知旧渲染进程卸载

Service Worker待补充

渲染进程的内部机制

渲染进程处理网站内容

渲染进程负责标签内发送的所有事情。渲染进程中，主线程处理服务器返回给用户的大部分数据，如果使用了web sworker或Service Sorker,部分JS将由工作线程处理。合成和光栅线程也在渲染进程内运行，以高效流畅的呈现页面。

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。

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HTML数据时，主线程解析文本字符串（HTML）并将其转换为（DOM）. DOM是页面在浏览器的内部表现，也是开发人员通过JS与之交互的数据结构

HTML的标签的解析由HTML Standar决定，HTML规范可以很优雅的处理一些标签错误。

子资源加载

网站的图像，CSS,JS外部资源，需要从网路或者缓存加载。解析构建DOM时，主线程会按处理顺序逐个加载，为了加快速度，“预加载扫描器（preload scanner）”会同时进行。如果文档有<img><link>,预加载扫描器会在浏览器进程中发送请求。

主线程解析 HTML 并构建 DOM 树

3.JS阻塞解析当解析HTML时，遇到<script>时，会停止解析接下来的内容，加载js,并执行里面的代码。

提示浏览器如何加载资源

可以在<script>标签加async或者defer属性，实现异步加载JS,或者加载JS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。

样式计算

只有DOM元素无法确定页面的外观，需要结合CSS样式。主线程解析CSS并且确定每个DOM节点计算后的样式。

主线程解析 CSS 以添加计算后样式

布局树（Layout Tree）

知道每个节点已经对应的元素样式，不足以渲染页面。布局是计算几何元素形状的过程，主线程遍历DOM,计算样式并创建布局树，其中包含xy坐标和边框大小等信息，布局树可能与DOM树结构树类似，但它仅包含页面可见内容的信息。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。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。

主线程遍历计算样式后的 DOM 树，以此生成布局树

绘制

有了DOM、样式、布局树还不能画出页面，还不知道绘制的顺序。例如，有的元素有了z-index，简单从上到下绘制就会出现图层高低错误。

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，主线程遍历布局树（Layout Tree）创建绘制记录（Paint Records），就像是背景优先，然后矩形，文字。

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

DOM + Style、布局和绘制树的生成顺序

渲染管道最重要的事情：每个步骤，都是前一个操作的结果用于后一个操作的数据。如果为元素设置动画，每一帧都要进行相同的处理操作，大多数浏览器的1帧/秒如果浏览器丢失了中间部分帧，就会让人觉得卡顿。

时间轴上的动画帧

真正绘制一个页面

光栅化

简单光栅处理示意图

现在知道了文档的结构，CSS,布局树，绘制顺序。就是将数据转化为物理设备上的像素了。这个过程成为光栅化。

合成

合成处理是将页面的各个部分光栅化，并且合成线程进行图层移动合成。

分层

为了分清哪些元素位于什么图层，主线程遍历布局树创建图层树，如果某些部分是单独图层（例如划入式侧面菜单栏），但没有拆分出来，可以用CSS属性：will-change提示浏览器。

主线程的光栅化和合成

一旦创建了图层树和确定了绘制顺序，主线程将会把信息传递给合成线程，接着，合成线程会光栅化每个图层，一个图层可能跟页面一样大，合成线程将其分块后发送给光栅线程。光栅线程光栅化每个小块后将他们存储在显存中。

光栅线程创建分块的位图并发送到 GPU

合成线程会不同的光栅化线程设置优先级，以便视图或者附近区域的画面可以先光栅化显示。图层还具有不同的分辨率的块，可以放大显示。

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：包含块在内存的位置，以及合成时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提交给浏览器进程，此时，可以在UI线程或者其他插件的渲染进程添加一个合成帧，这些合成器帧被送到GPU然后在屏幕上显示。如果收到滚动事件，合成帧会创建另一个合成帧到GPU。

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

用户输入行为与合成器

用户的任何行为，对于浏览器来说都是输入行为。包括点击，滚动，触摸屏幕，滑动鼠标。

例如用户触摸屏幕时，浏览器进程率先捕捉行为，浏览器进程所掌握的信息仅限于行为发生的区域，因为标签内的内容都由渲染进程处理。浏览器进程会将点击行为以及坐标传达给渲染进程。渲染进程在进行相应的处理。

合成器接收输入事件

悬于页面图层的视图窗口

理解非立即可滚动区

运行JS是渲染进程的主线程的工作，页面合成之后，注册了事件的区域叫做“非立即可滚动区”，合成器线程会通知渲染进程的主线程处理。没有输入事件没有发生在事件注册区域，合成器进程则不需要等待主线程，可以继续合成帧。

设置时间处理应该注意

document.body.addEventListener('touchstart', 
event => {
    if (event.target === area) {
        event.preventDefault();
    }
});

事件代理是浏览器常用的事件处理模式，在顶层元素添加一个事件。这样带来的问题就是整个页面都被标识为非立即滚动区域，合成器进程需要每次都询问主线程是否需要处理事件并且等待反馈。流畅的合成器处理模式就失效了。

你可以给事件监听添加一个 passive:true 选项，将这种负面效果最小化。这会提示浏览器你想继续在主线程中监听事件，但合成器不必停滞等候，可接着创建新的合成帧。

document.body.addEventListener('touchstart', event => {
    if (event.target === area) {
        event.preventDefault()
    }
 }, {passive: true});

不过上述写法可能又会带来另外一个问题，假设某个区域你只想要水平滚动，使用 passive: true 可以实现平滑滚动，但是垂直方向的滚动可能会先于event.preventDefault()发生，此时可以通过 event.cancelable 来防止这种情况。

document.body.addEventListener('pointermove', event => {
    if (event.cancelable) {
        event.preventDefault(); // 阻止默认的滚动行为
        /*
        *  这里设置程序执行任务
        */
    } 
}, {passive:: true});

也可以使用css属性 touch-action 来完全消除事件处理器的影响，如：#area{touch-action:pan-x;}

查找事件对象

当组合器线程发送输入事件给主线程时，主线程首先会进行命中测试（hit test），来查找对应的时间目标，命中测试会基于渲染过程中生成的绘制记录（paint records）查找事件发生坐标下寻找的元素。

主线程检查绘制记录查询坐标 x、y 处绘制内容

#####事件的优化

一般我们屏幕的刷新速率为 60fps，但是某些事件的触发量会不止这个值，出于优化的目的，Chrome 会合并连续的事件(如 wheel, mousewheel, mousemove, pointermove, touchmove )，并延迟到下一帧渲染时候执行。而如 keydown, keyup, mouseup, mousedown, touchstart, 和 touchend 等非连续性事件则会立即被触发。

使用 getCoalescedEvents 获取帧内事件

事件合并可帮助大多数 web 应用构建良好的用户体验。然而，如果你开发的是一个绘图类应用，需要基于 touchmove 事件的坐标绘制线路，那么在你试图画下一根光滑的线条时，区间内的一些坐标点也可能会因事件合并而丢失。这时，你可以使用目标事件的 getCoalescedEvents 方法获取事件合并后的信息。

window.addEventListener('pointermove', event => {
    const events = event.getCoalescedEvents();
    for (let event of events) {
        const x = event.pageX;
        const y = event.pageY;
        // 使用 x、y 坐标画线
    }
});

参考：