浏览器渲染原理及性能优化

前端岚枫
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大家好，我是前端岚枫，两个多月没更新博客了，这段时间在忙着找工作，入职新公司，各项都有序的进行着，过年的一年算是很特殊的一年，经历7.20暴雨，8月疫情在家办公一个月，及后面的疫情，12月开始原公司长期放假，这些种种，真是一言难尽，但是进入2022年有个好的开始，1月入职新公司，年会抽奖中奖，紧接着没有被疫情留在郑州，顺利回家过年。新的一年开始，我的技术博文更新也会持续更新。今天主要跟大家分享我整理的浏览器渲染原理及性能优化：性能优化是我们工作中常遇到一些问题， 也是面试官经常提问的问题，希望下面文章对大家有所帮助。

一、进程与线程

  • 进程是操作系统资源分配的基本单位，进程中包含线程
  • 线程是由进程所管理的，为了提升浏览器的稳定性和安全性，浏览器采用了多进程模型

image.png

  • 浏览器进程：负责界面显示、用户交互、子进程管理、提供存储等
  • 渲染进程： 每个页面都有单独的渲染进程，核心用于渲染页面
  • 网络进程：主要处理网络资源加载（html、css、js 等）
  • GPU进程：3d绘制，提高性能
  • 插件进程：chrome中安装的一些插件

二、从输入URL到浏览器显示页面发生了什么

用户输入的关键字还是URL？如果是关键字则使用默认搜索引擎生成URL

  1. 用户输入url地址（关键字 会将关键字根据默认引擎生成地址）会开始导航，浏览器进程里面做
  2. 浏览器进程 ：会准备一个渲染进程用户渲染页面
  3. 网络进程加载资源，最终将加载的资源交给渲染进程来处理
  4. 渲染完毕显示 ipc

网络七层模型

  • 先去查找缓存，检测缓存是否过期，直接返回缓存中的内容
  • 看域名是否被解析，DNS协议，将域名解析成ip地址（DNS基于UDP）ip+端口号 host
  • 请求是https SSL协商
  • ip地址来进行寻地址，排队等待，最多能发送6个http请求
  • tcp 创建链接，用于传输（三次握手）
  • 利用tcp传输数据（拆分成数据包 有序）可靠、有序，服务器按照顺序来接受
  • http 请求（请求行 请求头 请求体）
  • 默认不会断开keep-alive, 为了下次传输数据时候可以复用上次的创建的链接
  • 服务器收到数据后（响应行 响应头 响应体）
  • 服务器返回301 302 会进行重定向操作
  • 服务器返回304 去查询浏览器缓存进行返回

http 0.9 负责传输html 最早的时候没有请求头和响应头 http 1.0 提供了 http的header 根据header 的不同来处理不同的资源 http 1.1 默认开启了keep-alive 链接复用 管线化 服务器处理多个请求（队头阻塞问题） http 2.0 用同一个tcp链接来发送数据 一个域名一个tcp（多路复用）头部压缩 服务器可以推送数据给服务端 http3.0 解决了tcp的队头阻塞问题 QUIC协议 采用了udp

渲染流程

image.png

  1. 浏览器无法直接使用HTML,需要将HTML转化成DOM树。（document）
  2. 浏览器无法解析纯文本的css样式，需要对css进行解析成styleSheets.(document.styleSheets)
  3. 计算出DOM树中的每个节点的具体样式
  4. 创建渲染（布局）树，将DOM树中可见节点,添加到布局树中，并计算节点渲染到页面的坐标位置，（layout）
  5. 通过布局树，进行分层（根据定位属性，transform属性，clip属性等）生产图层树
  6. 将不同图层进行绘制，转交给合成线程处理，最终生产页面，并显示到浏览器上（Painting Display）

查看layer并对图层进行绘制的列表

  • css 不会阻塞html解析， 先解析html，再解析css, 样式
  • css 放到底部，可能会导致重绘效果， 当html 渲染时候，会先扫描js 和css 渲染从上到下，边解析边渲染
  • 渲染DOM时，要等待样式加载完毕
  • js会阻塞html解析，阻止DOM渲染 需要暂停DOM解析去执行js ，js可能会操作样式，所以需要等待样式加载完成

所以js 一般放页面底部，css 放头部

总结：DOM 如何生成

  • 在解析前会先执行预解析操作，会预先加载js、css等文件
  • 字节流 =》分词器 =》Token =》根据token 生成节点 =》插入到DOM 树中
  • 遇到js 执行过程中遇到script 标签，HTMLParse会停止解析，（下载）执行对应的脚本
  • 在js 执行前，需要等待当前脚本之上的所有css 加载解析完毕（js是依赖css的加载）#

三、Perfomance API

image.png image.png

// js
window.addEventListener('DOMContentLoaded', function(){
	let s = 0;
  for(let i = 0; i< 10000000; i++){
    s+=i;
  }
  setTimeout(()=>{
  	document.body.appendChild(document.createtextNode('hello'))
  },1000)
})
setTimeout(()=>{
	const {
    fetchStart, //开始访问
    requestStart, //请求的开始
    responseStart, //响应的开始
    responseEnd, //响应的结束
    domInteractive, // dom 可交互的时间点
    domContentLoadedEventEnd, //dom加载完毕
    loadEventStart //所有资源加载完毕
  } = performance.timing;
  
  let TTFB = responseStart - requestStart; //首字节返回的事件 服务器处理能力
	let TTI = domInteractive - fetchStart; //整个的一个可交互的时间
  let DCL= domContentLoadedEventEnd - fetchStart; //DOM整个加载完毕
  console.log(TTFB, TTI, DCL) //如图一
  const paint = performance.getEnteriesByType('paint')
  console.log(paint[0].startTime); //FP

}, 3000)

//递归看load 的时间不能为0 mutationObserver
new PerformanceObserver((entryList)=>{
	console.log(entryList.getEntries)
}).observe({entryTypes:['element']})

图一 image.png 图二 image.png

四、网络优化策略

  1. 减少HTTP请求数，合并js、css，合理内嵌js、css
  2. 合理设置服务器端缓存，提高服务器处理速度。（强制缓存、协商缓存）
  3. 避免重定向，重定向会降低响应速度（301，302）
  4. 使用dns-prefetch,进行DNS预解析
  5. 采用域名分片技术，讲资源放到不同的域名下，同一个域名最多处理6个TCP链接问题
  6. 采用CDN加速加快访问速度。（指派最近、高度可用）
  7. gzip压缩优化，对传输资源进行体积压缩（html,css,js）
Content-Encoding:gzip
  1. 加载数据优先级：preload(预先请求当前页面需要的资源) prefetch（将来页面中使用的资源），将数据缓存到HTTP缓存中
<link rel="preload" href="style.css" as="style">

五、关键渲染路径

image.png

  • 重排（回流）Reflow：添加元素、删除元素、修改大小、移动元素位置、获取位置等相关信息都会引起重排。
  • 重绘 Repaint: 页面中元素样式的改变并不影响它在文档中的位置。

1.强制同步布局问题

JavaScript强制将计算样式和布局操作提前到当前任务中

<div id="app"></div>
<script>
  function reflow(){
    let el = documnet.getElementById('app');
    let node = doucument.createElement('h1');
    node.innerHTML = 'hello';
    el.appendChild(node);
    //获取位置会导致重排（重新布局）
    console.log(app.offsetHeight);
    
  }
  window.addEventListener('load',function(){
  	for(let i=0; i<100; i++){
    	reflow()
    }
  })
  
</scpript>

减少回流和重绘

  1. 脱离文档流
  2. 渲染时给图片增加固定宽高
  3. 尽量使用css3动画
  4. 可以使用will-change提取到单独的图层中

六、静态文件优化

1. 图片优化

图片格式：

  • jpg:适合色彩丰富的照片、banner图；不适合图形文字、图标（纹理有锯齿），不支持透明
  • png: 适合纯色、透明、图标、支持半透明；不适合色彩丰富图片，因为无损储存会导致储存体积大
  • gif: 适合动画，可以动的图标；不支持半透明，不适合存储彩色图片
  • webp: 适合半透明图片，可以保证图片质量和较小的体积
  • svg: 相比于jpg和png,它的体积更小，渲染成本过高，适合小且色彩单一的图标

图片优化：

  • 避免空src的图片
  • 减小图片尺寸，节约用户流量
  • img标签设置alt属性，提升图片加载失败时的用户体验
  • 原生的loading:lazy图片懒加载
<img loading="lazy" src="./images/1.jpg" widht="300" height="450" />
  • 不同环境下，加载不同尺寸和像素的图片
  • 对于较大的图片可以考虑采用渐进式图片
  • 采用base64URL 减少图片请求
  • 采用雪碧图片合并图标图片

2. HTML优化

  1. 语义化HTML:代码简洁清晰，利于搜索引擎，便于团队开发维护
  2. 提前声明字符编码，让浏览器快速确定如何渲染网页内容
  3. 减少HTML嵌套关系，减少DOM节点数量
  4. 删除多余空格，空行、注释、及无用的属性等
  5. 避免table布局

3. css 优化

  1. 减少伪类选择器，减少样式层数，减少使用通配符
  2. 避免使用css表达式，css表达式会频繁求值，当滚动页面，或者移动鼠标时，都会重新计算（IE6,7）
background-color:expression（new Date()).getHours()%2 ? "red" : "yellow");
  1. 删除空行、注释、减少无意义的单位、css进行压缩
  2. 使用外链css,可以对css进行缓存
  3. 添加媒体字段，只加载有效的css  文件
<link href="index.css" rel="stylesheet" media="screen and(min-width:1024px)"
  1. css contain属性将元素进行隔离
  2. 减少@import使用，由于import采用的串行加载

4. js 优化

  1. 通过async 、defer异步加载文件

image.png

  1. 减少DOM操作，缓存访问过的元素
  2. 操作不直接应用到DOM上，而应用到虚拟DOM上。最后一次性的应用到DOM上
  3. 使用webworker解决程序阻塞问题
  4. IntersectionOberver
const observer = new IntersectionOberver(function(changes){
    changes.forEach(function(element, index){
      if(element,intersectionRatio > 0){
      observer.unobserve(element.target);
        element.target.src = element.target,dataset.src;
      }
    });
  });
function initObserve(){
	const listItems = document.querySelectAll('img');
  listItems.forEach(function(item){
  observer.observe(item)
  })
}
initObserver
  1. 虚拟滚动 vertual-scroll-list
  2. requestAnimationFrame、requestIdleCallback

image.png

  1. 尽量避免使用eval,消耗时间久
  2. 使用事件委托，减少事件绑定个数
  3. 尽量使用canvas动画、css动画

七、优化策略

  • 关键资源个数越多，，首次页面加载时间就会越长
  • 关键资源的大小，内容越小，下载时间越短
  • 优化白屏：内联css和内联js，移除文件下载较小文件体积
  • 预渲染，打包时候进行预渲染
  • 使用SSR加速首屏加载（耗费服务端资源），有利于SEO优化，首屏利用服务器端渲染，后续交互采用客户端渲染

八、浏览器的存储

  • cookie: cookie过期时间内一直有效，存储大小4k左右、同时限制字段个数，不适合大量的数据存储，每次请求会携带cookie，主要可以利用做身份检查验证

    设置cookie有效期；根据不同子域划分cookie较少传输；静态资源域名和cookie域名采用不同域名，避免静态资源访问时携带cookie

  • localStroage: chrome下最大存储5M，除非手动清除，否则一直存在，利用localStorage存储静态资源

function cacheFile(url){
let fileContent = localStorage.getItem()
if(file){
  eval(fileContent)
} else {
  let xhr = new XMLHttpRequest();
  xhr.open('GET', url, true);
  xhr.onload = function(){
  	let responseText = xhr.responseText;
    eval(responseText);
    localStorage.setItem(url,responseText)
  }
  xhr.send()
}
}
cacheFile('/index.js')
  • sessionStorage: 会话级别存储，可用于页面间的传值
  • indexDB:浏览器的本地数据库（基本无上限）

九、增加体验 PWA（Progerssive Web App）

webapp用户体验差（不能离线访问），用户粘性低（无法保存入口），pwa就是为了解决这一系列问题让webapp具有快速，可靠，安全等特点

  • Web App Mainfset: 将网站添加到桌面、更类似native的体验
  • Service Worker: 离线缓存内容，配合cache API
  • Push Api & Notification Api: 消息推送与提醒
  • App Shell & App Skeleton App壳、骨架屏
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