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[浏览器工作原理与实践] Day 05 | 渲染流程

前言

学习资源来自极客时间 - 李兵老师 《浏览器工作原理与实践》。接下来,让我们一起每日打卡,check完成所有课程吧 ~

在前面的文章[浏览器知识点] 从输入URL到页面展示发生了什么中,已经记录的有渲染流程所包含的相关内容,在这里学习李兵老师的课程过程中,希望将其再细化学习整理。

上一篇文章中介绍了导航相关的流程,导航被提交之后,就进入渲染阶段。我们编写好的HTML、CSS、JavaScript等文件,经过浏览器渲染模块的处理,最终输出为屏幕上的像素。

由于渲染机制过于复杂,所以渲染模块在执行过程中会被划分为很多子阶段,我们把这样的一个处理流程叫做渲染流水线,其大致流程如下图所示: image.png

按照渲染的时间顺序,流水线可分为如下几个子阶段:构建 DOM 树、样式计算、布局阶段、分层、绘制、分块、光栅化和合成。

在每个阶段的过程中,需要重点关注以下三点内容注:

  • 开始每个子阶段都有其输入的内容
  • 然后每个子阶段有其处理过程
  • 最终每个子阶段会生成输出内容

构建DOM树

为什么要构建 DOM 树呢?这是因为浏览器无法直接理解和使用 HTML,所以需要将 HTML 转换为浏览器能够理解的结构——DOM 树

这里我们还需要简单介绍下什么是树结构,为了更直观地理解,你可以参考下面我画的几个树结构:

image.png

树结构示意图从图中可以看出,树这种结构非常像我们现实生活中的“树”,其中每个点我们称为节点,相连的节点称为父子节点。树结构在浏览器中的应用还是比较多的,比如下面我们要介绍的渲染流程,就在频繁地使用树结构。

接下来咱们还是言归正传,来看看 DOM 树的构建过程,你可以参考下图:

image.png 从图中可以看出,构建 DOM 树的输入内容是一个非常简单的 HTML 文件,然后经由 HTML 解析器解析,最终输出树状结构的 DOM。

为了更加直观地理解 DOM 树,你可以打开 Chrome 的“开发者工具”,选择“Console”标签来打开控制台,然后在控制台里面输入“document”后回车,这样你就能看到一个完整的 DOM 树结构,如下图所示:

image.png

DOM 可视化图中的 document 就是 DOM 结构,你可以看到,DOM 和 HTML 内容几乎是一样的,但是和 HTML 不同的是,DOM 是保存在内存中树状结构,可以通过 JavaScript 来查询或修改其内容。那下面就来看看如何通过 JavaScript 来修改 DOM 的内容,在控制台中输入:document.getElementsByTagName("p")[0].innerText = "black"

这行代码的作用是把第一个

标签的内容修改为 black,具体执行结果你可以参考下图:

image.png

通过 JavaScript 修改 DOM从图中可以看出,在执行了一段修改第一个

标签的 JavaScript 代码后,DOM 的第一个 p 节点的内容成功被修改,同时页面中的内容也被修改了。

好了,现在我们已经生成 DOM 树了,但是 DOM 节点的样式我们依然不知道,要让 DOM 节点拥有正确的样式,这就需要样式计算了。

样式计算(Recalculate Style)

样式计算的目的是为了计算出 DOM 节点中每个元素的具体样式,这个阶段大体可分为三步来完成。

1. 把 CSS 转换为浏览器能够理解的结构

那 CSS 样式的来源主要有哪些呢?你可以先参考下图: image.png

和 HTML 文件一样,浏览器也是无法直接理解这些纯文本的 CSS 样式,所以当渲染引擎接收到 CSS 文本时,会执行一个转换操作,将 CSS 文本转换为浏览器可以理解的结构:styleSheets。

为了加深理解,你可以在 Chrome 控制台中查看其结构,只需要在控制台中输入 document.styleSheets,然后就看到如下图所示的结构:

image.png

从图中可以看出,这个样式表包含了很多种样式,已经把那三种来源的样式都包含进去了。当然样式表的具体结构不是我们今天讨论的重点,你只需要知道渲染引擎会把获取到的 CSS 文本全部转换为 styleSheets 结构中的数据,并且该结构同时具备了查询和修改功能,这会为后面的样式操作提供基础。

2. 转换样式表中的属性值,使其标准化

现在我们已经把现有的 CSS 文本转化为浏览器可以理解的结构了,那么接下来就要对其进行属性值的标准化操作

要理解什么是属性值标准化,你可以看下面这样一段 CSS 文本:

body { font-size: 2em }
p {color:blue;}
span  {display: none}
div {font-weight: bold}
div  p {color:green;}
div {color:red; }
复制代码

可以看到上面的 CSS 文本中有很多属性值,如 2em、blue、bold,这些类型数值不容易被渲染引擎理解,所以需要将所有值转换为渲染引擎容易理解的、标准化的计算值,这个过程就是属性值标准化。

那标准化后的属性值是什么样子的?

image.png

从图中可以看到,2em 被解析成了 32px,red 被解析成了 rgb(255,0,0),bold 被解析成了 700……

3. 计算出 DOM 树中每个节点的具体样式

现在样式的属性已被标准化了,接下来就需要计算 DOM 树中每个节点的样式属性了,如何计算呢?

这就涉及到 CSS 的继承规则和层叠规则了。

首先是 CSS 继承。CSS 继承就是每个 DOM 节点都包含有父节点的样式。这么说可能有点抽象,我们可以结合具体例子,看下面这样一张样式表是如何应用到 DOM 节点上的。

body { font-size: 20px }
p {color:blue;}
span  {display: none}
div {font-weight: bold;color:red}
div  p {color:green;}
复制代码

这张样式表最终应用到 DOM 节点的效果如下图所示:

image.png 从图中可以看出,所有子节点都继承了父节点样式。比如 body 节点的 font-size 属性是 20,那 body 节点下面的所有节点的 font-size 都等于 20。

为了加深你对 CSS 继承的理解,你可以打开 Chrome 的“开发者工具”,选择第一个“element”标签,再选择“style”子标签,你会看到如下界面:

image.png 这个界面展示的信息很丰富,大致可描述为如下。

  • 首先,可以选择要查看的元素的样式(位于图中的区域 2 中),在图中的第 1 个区域中点击对应的元素,就可以在下面的区域查看该元素的样式了。比如这里我们选择的元素是标签,位于 html.body.div. 这个路径下面。
  • 其次,可以从**样式来源(位于图中的区域 3 中)**中查看样式的具体来源信息,看看是来源于样式文件,还是来源于 UserAgent 样式表。这里需要特别提下 UserAgent 样式,它是浏览器提供的一组默认样式,如果你不提供任何样式,默认使用的就是 UserAgent 样式。
  • 最后,可以通过区域 2 和区域 3 来查看样式继承的具体过程。

以上就是 CSS 继承的一些特性,样式计算过程中,会根据 DOM 节点的继承关系来合理计算节点样式。

样式计算过程中的第二个规则是样式层叠。层叠是 CSS 的一个基本特征,它是一个定义了如何合并来自多个源的属性值的算法。它在 CSS 处于核心地位,CSS 的全称“层叠样式表”正是强调了这一点。关于层叠的具体规则这里就不做过多介绍了,网上资料也非常多,你可以自行搜索学习。

总之,样式计算阶段的目的是为了计算出 DOM 节点中每个元素的具体样式,在计算过程中需要遵守 CSS 的继承和层叠两个规则。这个阶段最终输出的内容是每个 DOM 节点的样式,并被保存在 ComputedStyle 的结构内。

布局阶段

现在,我们有 DOM 树和 DOM 树中元素的样式,但这还不足以显示页面,因为我们还不知道 DOM 元素的几何位置信息。那么接下来就需要计算出 DOM 树中可见元素的几何位置,我们把这个计算过程叫做布局

Chrome 在布局阶段需要完成两个任务:创建布局树和布局计算。

1. 创建布局树

你可能注意到了 DOM 树还含有很多不可见的元素,比如 head 标签,还有使用了 display:none 属性的元素。所以在显示之前,我们还要额外地构建一棵只包含可见元素布局树。

我们结合下图来看看布局树的构造过程:

image.png 从上图可以看出,DOM 树中所有不可见的节点都没有包含到布局树中。

为了构建布局树,浏览器大体上完成了下面这些工作:

  • 遍历 DOM 树中的所有可见节点,并把这些节点加到布局树中;
  • 而不可见的节点会被布局树忽略掉,如 head 标签下面的全部内容,再比如 body.p.span 这个元素,因为它的属性包含 dispaly:none,所以这个元素也没有被包进布局树。

2. 布局计算

分层

页面中有很多复杂的效果,如一些复杂的 3D 变换、页面滚动,或者使用 z-indexing 做 z 轴排序等,为了更加方便地实现这些效果,渲染引擎还需要为特定的节点生成专用的图层,并生成一棵对应的图层树(LayerTree)。如果你熟悉 PS,相信你会很容易理解图层的概念,正是这些图层叠加在一起构成了最终的页面图像。

浏览器的页面实际上被分成了很多图层,这些图层叠加后合成了最终的页面。

image.png

通常情况下,并不是布局树的每个节点都包含一个图层,如果一个节点没有对应的层,那么这个节点就从属于父节点的图层。如上图中的 span 标签没有专属图层,那么它们就从属于它们的父节点图层。但不管怎样,最终每一个节点都会直接或者间接地从属于一个层。

那么需要满足什么条件,渲染引擎才会为特定的节点创建新的图层呢?通常满足下面两点中任意一点的元素就可以被提升为单独的一个图层。

第一点,拥有层叠上下文属性的元素会被提升为单独的一层。

页面是个二维平面,但是层叠上下文能够让 HTML 元素具有三维概念,这些 HTML 元素按照自身属性的优先级分布在垂直于这个二维平面的 z 轴上。你可以结合下图来直观感受下:

image.png

从图中可以看出,明确定位属性的元素、定义透明属性的元素、使用 CSS 滤镜的元素等,都拥有层叠上下文属性。

第二点,需要剪裁(clip)的地方也会被创建为图层。

图层绘制

在完成图层树的构建之后,渲染引擎会对图层树中的每个图层进行绘制,那么接下来我们看看渲染引擎是怎么实现图层绘制的?

试想一下,如果给你一张纸,让你先把纸的背景涂成蓝色,然后在中间位置画一个红色的圆,最后再在圆上画个绿色三角形。你会怎么操作呢?

通常,你会把你的绘制操作分解为三步:

  1. 绘制蓝色背景;
  2. 在中间绘制一个红色的圆;
  3. 再在圆上绘制绿色三角形。

渲染引擎实现图层的绘制与之类似,会把一个图层的绘制拆分成很多小的绘制指令,然后再把这些指令按照顺序组成一个待绘制列表,如下图所示:

image.png

从图中可以看出,绘制列表中的指令其实非常简单,就是让其执行一个简单的绘制操作,比如绘制粉色矩形或者黑色的线等。而绘制一个元素通常需要好几条绘制指令,因为每个元素的背景、前景、边框都需要单独的指令去绘制。所以在图层绘制阶段,输出的内容就是这些待绘制列表。

你也可以打开“开发者工具”的“Layers”标签,选择“document”层,来实际体验下绘制列表,如下图所示:

image.png 在该图中,区域 1 就是 document 的绘制列表,拖动区域 2 中的进度条可以重现列表的绘制过程。

栅格化(raster)操作

绘制列表只是用来记录绘制顺序和绘制指令的列表,而实际上绘制操作是由渲染引擎中的合成线程来完成的。你可以结合下图来看下渲染主线程和合成线程之间的关系:

image.png 如上图所示,当图层的绘制列表准备好之后,主线程会把该绘制列表提交(commit)给合成线程,那么接下来合成线程是怎么工作的呢?

通常一个页面可能很大,但是用户只能看到其中的一部分,我们把用户可以看到的这个部分叫做视口(viewport)。

合成线程会将图层划分为图块(tile),这些图块的大小通常是 256x256 或者 512x512,如下图所示:

image.png 然后合成线程会按照视口附近的图块来优先生成位图,实际生成位图的操作是由栅格化来执行的。所谓栅格化,是指将图块转换为位图。而图块是栅格化执行的最小单位。渲染进程维护了一个栅格化的线程池,所有的图块栅格化都是在线程池内执行的,运行方式如下图所示:

image.png

合成和显示

一旦所有图块都被光栅化,合成线程就会生成一个绘制图块的命令——“DrawQuad”,然后将该命令提交给浏览器进程。

浏览器进程里面有一个叫 viz 的组件,用来接收合成线程发过来的 DrawQuad 命令,然后根据 DrawQuad 命令,将其页面内容绘制到内存中,最后再将内存显示在屏幕上。

到这里,经过这一系列的阶段,编写好的 HTML、CSS、JavaScript 等文件,经过浏览器就会显示出漂亮的页面了。

渲染流水线大总结

image.png 结合上图,一个完整的渲染流程大致可总结为如下:

  1. 渲染进程将 HTML 内容转换为能够读懂的** DOM 树**结构。
  2. 渲染引擎将 CSS 样式表转化为浏览器可以理解的 styleSheets,计算出 DOM 节点的样式。
  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,并将其提交到合成线程。
  6. 合成线程将图层分成图块,并在光栅化线程池中将图块转换成位图。7. 合成线程发送绘制图块命令 DrawQuad 给浏览器进程。
  7. 浏览器进程根据 DrawQuad 消息生成页面,并显示到显示器上。
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