阅读 2578

输入url到页面渲染全链路分析

一、网站加载概述

面试过程中,常常遇到这样一道面试题,输入URL到页面加载完毕,浏览器做了哪些工作?

首先输入一个URL,你会看到浏览器上面的标签页出现了一个loading图标,开始时是逆时针旋转,接着顺时针旋转,当前页面消失,显示我们常说的空白页面,接着出现显示我们请求的新页面。此时如果网络很差,你有可能看到短暂的DOM页面,然后再看到渲染后的正常页面,这是从表面看到的加载过程,实际浏览器做的要多得多。

为什么浏览器这么多戏呢?直接显示不好吗,当然不行,就像喝粥,能直接吃米、喝水吗?

在用户输入URL到页面展示,浏览器要先向服务器获取前端资源,然后再将服务器返回的字节流转化成对应的页面,每一阶段都需要浏览器对应的能力进行处理的。

作为前端开发,了解整个过程其实很重要,只有知道了浏览器加载页面的整个过程,才能在开发中避免可能跳的坑,才能在发现问题后迅速定位问题,才能在性能优化时提出更多的解决方案。

比如下面问题,看了文章相信你就知道了为什么了

  • 为什么会存在空白页面?(为了解决这个问题,各大厂都在实践各种方案)
  • 为什么js要在Dom后面引入
  • 为什么有个页面崩溃会导致多个页面崩溃
  • 浏览器的缓存策略是怎样的?
  • 为什么我们常常修改host就可以访问对应的域名
  • 等等

二、浏览器的多进程架构

为了看懂下面的内容,这里必须要了解下现代浏览器的多进程架构进程线程的关系等知识点。

浏览器也是从单个进程架构一步步迭代到现代的多进程架构。

image.png

如上图,我们可以看到线程进程的关系

  • 通常一个程序实例就是一个进程,浏览器会为他分配内存空间。
  • 一个进程间的数据是共享的,单线程就是一个进程包含一个线程,一个线程处理所有的任务
  • 多线程就是,一个进程中包含多个线程可以同时执行任务,共享数据和内存
  • 线程不能单独存在,必须依附于进程,一个线程失败,会导致进程执行失败,进程销毁,内存会被立即回收。

1、进程

下图是我们打开一个掘金首页后,再打开任务管理器,观察发现,此时浏览器包括的进程有很多,浏览器主进程,GPU进程,网络进程,存储进程,音频进程,渲染进程,多个插件进程。

image.png

这些进程负责的功能如下:

进程说明
浏览器进程负责浏览器各个子进程的通信,处理浏览器界面,包括地址栏等
渲染进程也就是我们看到的图中的标签页进程,也就是我们常说的浏览器内核,v8就在这个进程。主要负责解析html、js、css渲染页面等
网络进程负责发起网络请求,解析返回头信息
GUI进程负责将渲染进程生成的图块转化成位图

渲染进程是运行在沙箱之中的,可以执行js,但是不能获取系统权限,和浏览器进程通过IPC通讯。这是为了保证浏览器进程的安全,锁进沙箱,即使有恶意代码,也不能突破沙箱读取或写入系统信息。

2、线程

通过上图,我们已经知道线程是不能独立存在的,必须依附于进程。这里我们主要关注下渲染进程,因为他的主要工作就是:完成页面的渲染和展示。

image.png

如图,我们可以看到渲染进程包括很多线程,除了图上展示的,还有合成线程等,各有各的作用,具体内容,我们将会在后面一章节,浏览器渲染原理分析中在来讨论。

三、浏览器请求的具体流程

从用户输入域名到浏览器渲染页面完成的过程,可以分为以下几个部分:

  • 1、输入信息处理
  • 2、网络请求
  • 3、服务器返回请求资源
  • 4、浏览器渲染

这里每一步涉及到的知识都非常多,其中缓存也在每个阶段占了很大比重,接着展开描述前三个阶段:

1、地址栏输入信息处理

当输入一个URL,浏览器会判断输入信息是检索信息还是请求URL

  • 如果是检索的信息,就构建请求搜索的URL,调用浏览器默认的搜索引擎进行检索。
  • 如果符合URL格式,浏览器主进程就通过IPC通信机制将URL发送给网络进程。

2、网络进程发起网络请求

1)网络进程首先会查找浏览器缓存,判断缓存是否存在,是否过期

  • 如果存在且不过期,就直接返回缓存信息。具体的缓存策略可以接着看下面的浏览器缓存策略

2)如果没有缓存或过期,就开始进行DNS解析

  • DNS解析的过程也很复杂,最终目的就是拿到目标主机的IP地址,具体的解析过程可以看下面的域名解析

3)建立http连接或https连接

  • http通过三次握手建立连接
  • https需要建立TLS连接,浏览器会验证网站的数字证书是否合法,是否到期,是否安全等,这里https有自己的一套认证逻辑,我们重点不在这一块。
  • 这里两个问题常被问到,不了解可以学习一下
    • http和https的区别?
    • 简述三次握手、四次挥手?

4)发送请求

  • 网络进程会构建http请求头,向服务器发送实际请求

5)网络传输,服务器处理,返回对应的资源

  • 请求从应用层发出,经过运输层、网络层、物理层、数据链路层找到服务器,服务器拿到请求信息,返回对应的资源
  • 这里的服务器可能是代理服务器,也可能是CDN节点,会判断当前数据是否存在缓存,如果有缓存且有效,直接返回(具体看配置的缓存策略),否则才会从服务器获取。
  • 网络传输数据也是很复杂的过程,具体可以看下面简单的介绍计算机网络体系模型

3、服务器返回对应资源

1)处理返回信息

  • 浏览器接收到服务器返回的资源信息,网络进程首先会解析返回的头信息,查看是否有Location字段,如果有的话,再次发起请求,很常见的就是请求http的站点,然后重定向到https。
  • 如下图我们输入的是http://www.taobao.com/,接口返回307内部重定向,然后浏览器再次进行了请求https//www.taobao.com/

image.png

  • 通过返回头字段Content-Type判断文件类型,如果其他类型,就调用不同的进程处理,如果是html类型,继续处理。

image.png

  • 网络进程拿到返回的资源信息,会发送消息“提交导航”到浏览器主进程,浏览器主进程发送信息“提交文档”,提醒渲染进程准备接收返回的资源信息

  • 渲染进程和网络进程构建通道,接收资源信息,并发送消息“提交文档”给浏览器主进程,告诉浏览器主进程我准备好了,浏览器主进程开始刷新页面,url、安全等信息。

  • 此时页面将会触发beforeunload事件,在页面退出之前允许用户选择终止该流程(常应用于表单提交页面)。如果不监控该方法,浏览器就直接替换当前页面。

  • 然后在渲染线程绘制出页面的之前,页面将存在空白时间,这就是各个技术团队在攻克的技术点,怎样让空白时间最短,这个时间取决于当前页面渲染的时长,那么我们还是要了解下浏览器是如何渲染服务器返回的资源。

8)四次挥手

资源传输完毕,断开连接

四、多个Tab页共用渲染进程

我们打开任务管理器,看到如下图所示

image.png

我们发现很多标签页都是单独的一个进程,但是其中一些标签页确是共用一个渲染进程,为什么会这样?

其实浏览器对于在当前站点打开的新Tab页面会做一些优化,如果他们同源,且执行环境相同,会直接复用当前站点的渲染进程。

这样就可以提高渲染的性能,也能让父窗口和子窗口建立关联,但这样也造成了一定的隐患

  • 公用一个进程,如果当前进程中的一个线程出现问题,当前进程就会崩溃,公用同一个进程的页面也会崩溃。
  • 如果有恶意脚本就可以攻击新打开的页面,在新打开的页面中我们可以通过window.opener获取父页面的操作权限

如果没有关联

image.png

如果有关联

image.png

这就是我们现实中可能会遇到的一个页面奔溃,其他同源站点全部退出的现象。

那么这种共同使用一个渲染进程是如果出现的呢?在日常编码中我们常常有这三种方式:

1、a标签

一般情况下,项目中我们跳转采用a标签,如果调整的是同源页面,会出现

<a href="http://www.baidu.com"></a>
复制代码

该方法使用最新版的谷歌测试发现,在当前页面内打开一个同源的站点,使用的是独立的进程,这和预期的不符合,后面会继续测试看看。

但是一般情况下,我们可以给a标签加上属性rel="noopener norefferrer"来保证不同页面使用不同的进程。

2、window.open

window.open("http://www.baidu.com")
复制代码

使用window.open打开相同站点,肯定会出现使用同一个渲染进程,如果要规避,就要增加如下代码,去除两者的关联

let newWin = window.open("http://my.dome.com")
newWin.opener = null
复制代码

3、Iframe

页面中采用iframe框架引入其他页面,则iframe会独立成辅助框架,有自己的渲染进程,如果同源会采用同一个渲染进程。

五、网络请求

1、浏览器缓存策略

  • 存储策略
  • 强缓存
  • 协商缓存

浏览器的缓存策略,有助于提高网页加载速度,减轻服务器压力。

具体缓存的过程如图:

image.png

详细说明:

1、当我们输入url,浏览器会去查看自身是否有缓存,如果没有缓存会直接请求服务器获取资源,并缓存到浏览器一份,返回数据会携带ETag字段和Last-Modified字段,状态码200 OK(from memory cache),

其中ETag是文件计算的hash值,如果文件不发生改变,这个值不会变。Last-Modified是文件最后的修改时间,如果文件更新或者覆盖就会显示最新的时间

2、如果浏览器有缓存,此时检查http的请求头,看cache-control、expires字段,判断是否过了缓存的有效期,如果没有过有效期,则返回200状态码和对应的缓存数据。

image.png

此时是强缓存

  • expires是http1.0的定义,返回一个绝对的时间GMT,为过期时间。这就导致如果服务器时间和浏览器时间不一致,可能会使缓存失效。

  • cache-control是http1.1的定义,可以定义的值有

    • max-age=600 表示最长有效期为600s
    • no-cache 不走浏览器缓存,每次都去浏览器协商缓存
    • no-store 每次都请求最新的资源
    • private 私有,只能在用户终端缓存,不能在cdn或代理服务器缓存
    • public 公有,可以在所有节点缓存
  • 两者同时存在,cache-control优先级高

3、如果浏览器缓存已过期,就携带请求头字段If-None-MatchIf-Modified-Since去服务器拉取资源,服务器看到这两个字段,发现和当前服务器资源一致,就直接返回缓存和状态码304。服务器一般会先验证If-None-Match/ETag,如果不变,再去验证If-Modified-Since/Last-Modified

image.png

其中If-Modified-Since就是之前返回的Last-ModifiedIf-None-Match就是之前返回的ETag

image.png

如果第一次请求,默认没有缓存,浏览器将会进行缓存,浏览器缓存的都是派生文件, 比如css、js、img等不常变动的文件,内存缓存肯定比较小,所以会缓存一下js,页面关闭就清空了,disk memory 会在的时间会久一点。

2、域名解析

DNS就是域名系统,作用是将域名解析成对应的IP地址。具体的解析过程

  • 1、输入一个url,首先浏览器会对url进行解析,取出主机名
  • 2、接着查找浏览器自身的DNS缓存,查到返回对应IP
  • 3、没有找到,在本机找Host文件是否有对应的IP(host文件就是域名和ip的映射关系表),查到就返回IP
  • 3、没有的话,本地DNS服务器开始查找,向各级的DNS服务器发送查询报文,获取对应的IP地址

在每次查找的过程中,浏览器,应用程序,DNS服务器都会对域名进行缓存,如果命中缓存,DNS会直接返回对应的IP,没有命中则继续查找相关的域名服务器,定位IP

graph TD
客户端 --> 客户端缓存 --> 本机Host文件 --> 本地DNS服务器 --> 管理方DNS服务器
本地DNS服务器 --> 其他DNS服务器
本地DNS服务器 --> 顶层DNS服务器
本地DNS服务器 --> 根DNS服务器

分析可知这个阶段,我们能优化的方法有限,常见的做法有:

  • 1、在html文件增加DNS缓存标签
  • 2、通过将域名解析到多个IP,做DNS的负载均衡
<link rel="dns-prefetch" href="//g.alicdn.com" />
复制代码

上面代码,会预取g.test.com解析

<meta http-equiv="x-dns-prefetch-control" content="on">
复制代码

上面代码,设置自动开启DNS解析功能

3、http请求过程

这里的网络请求,我们默认为http请求。

  • 1、首先如果是第一次请求,域名经过DNS解析拿到映射的IP
  • 2、这里客户端发送http报文给对应的服务器,这个过程中要经过应用层、运输层、网络层、数据链路层和物理层对数据报的层层处理
  • 3、经过上一步的三次确认,也就是客户端和服务器(或代理服务器)进行三次握手建立TCP连接
  • 4、然后服务器返回对应的资源给客户端
  • 5、如果是第二次及以上的请求,浏览器或服务器会通过http的header参数,判断资源是否过期,如果没有过期,则使用缓存,如果过期,就去服务器拿新的资源

4、五层计算机体系模型

第二步,这里客户端发送http报文给对应的服务器,具体的过程为:

  • 1、首先应用层提供了很多协议,包括:http、ftp、POP3、IMAP,这里浏览器使用的是http协议,首先浏览器会在应用层,把请求的数据报按照http协议要求的格式,定义一系列请求的字段,推进TCP套接字,等待运输层接收。
  • 2、运输层主要的协议有:TCP和UDP,运输层拿到数据报以后,会先看是否和目的主机建立连接,如果没有,则进行三次握手,建立TCP连接。如果连接成功,会对数据报进一步封装,增加源主机端口号和目的主机端口号,进行差错检测,然后传递到网络层。
  • 3、网络层主要协议有:IP协议,接收运输层的数据报,然后增加目的主机IP,封装成一段段符合IP协议的IP数据报,经过若干个路由到达数据链路层
  • 4、数据链路层有ARP协议,可以通过IP地址解析目标地址的mac地址,通过物理层转发出去,到达目的局域网后,通过广播,被目的主机接收

六、服务器处理阶段

服务器获取请求,协商缓存查看资源是否有变化,如果没有变化返回缓存资源。

  • CDN缓存

这里如果存在代理服务器或者CDN节点,那么相当于增加了一个缓存节点,首先请求会转发到最新的CDN节点,CDN节点收到请求后会判断当前资源是否过期cache-control,如果过期就回源请求最新的资源,如果没有过期就返回缓存资源。

CDN的存在解决了跨地域请求的时延问题;对服务器压力进行了分流。

四次挥手:如果请求结束,服务器和客户端进行四次握手,断开连接。

七、页面渲染阶段

image.png

具体的渲染是很复杂的,篇幅有限,接着下一篇继续。

八、灵魂拷问

  • 浏览器为什么要进行url解析,编码规则是什么,如何解析
  • 域名解析的过程,递归查询,迭代查询
  • 网络请求三次握手、四次挥手原理,为什么要三次握手,两次不行吗
  • 网络请求的过程,计算机网络体系
  • ping的原理是什么
  • http缓存的分类,强缓存和协商缓存、启发式缓存
  • 如何设置http缓存
  • http和https区别,不同版本的区别
  • 浏览器的渲染原理、渲染顺序
  • 页面渲染优化
  • 什么是重绘和回流
  • 三次握手、四次挥手
文章分类
前端
文章标签