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这是一篇全面介绍 Webkit 和 Gecko 内部操作的入门文章,是以色列开发人员塔利·加希尔大量研究的成果。在过去的几年中,她查阅了所有公开发布的关于浏览器内部机制的数据(请参见资源),并花了很多时间来研读网络浏览器的源代码。她写道:
在 IE 占据 90% 市场份额的年代,我们除了把浏览器当成一个“黑箱”,什么也做不了。但是现在,开放源代码的浏览器拥有了 过半的市场份额,因此,是时候来揭开神秘的面纱,一探网络浏览器的内幕了。呃,里面只有数以百万行计的 C++ 代码...塔利在 她的网站上公布了自己的研究成果,但是我们觉得它值得让更多的人来了解,所以我们在此重新整理并公布。
作为一名网络开发人员,学习浏览器的内部工作原理将有助于您作出更明智的决策,并理解那些最佳开发实践的个中缘由。尽管这是一篇相当长的文档,但是我们建议您花些时间来仔细阅读;读完之后,您肯定会觉得所费不虚。保罗·爱丽诗 (Paul Irish),Chrome 浏览器开发人员事务部
简介
网络浏览器很可能是使用最广的软件。在这篇入门文章中,我将会介绍它们的幕后工作原理。我们会了解到,从您在地址栏输入 google.com
直到您在浏览器屏幕上看到 Google 首页的整个过程中都发生了些什么。
目录
- 简介
- 我们要讨论的浏览器
- 浏览器的主要功能
- 浏览器的高层结构
- 呈现引擎
- 呈现引擎
- 主流程
- 主流程示例
- 解析和 DOM 树构建
- 解析 - 综述
- 语法
- 解析器和词法分析器的组合
- 翻译
- 解析示例
- 词汇和语法的正式定义
- 解析器类型
- 自动生成解析器
- HTML 解析器
- HTML 语法定义
- 非与上下文无关的语法
- HTML DTD
- DOM
- 解析算法
- 标记化算法
- 树构建算法
- 解析结束后的操作
- 浏览器的容错机制
- CSS 解析
- Webkit CSS 解析器
- 处理脚本和样式表的顺序
- 脚本
- 预解析
- 样式表
- 解析 - 综述
- 呈现树构建
- 呈现树和 DOM 树的关系
- 构建呈现树的流程
- 样式计算
- 共享样式数据
- Firefox 规则树
- 结构划分
- 使用规则树计算样式上下文
- 对规则进行处理以简化匹配
- 以正确的层叠顺序应用规则
- 样式表层叠顺序
- 特异性
- 规则排序
- 渐进式处理
- 布局
- Dirty 位系统
- 全局布局和增量布局
- 异步布局和同步布局
- 优化
- 布局处理
- 宽度计算
- 换行
- 绘制
- 全局绘制和增量绘制
- 绘制顺序
- Firefox 显示列表
- Webkit 矩形存储
- 动态变化
- 呈现引擎的线程
- 事件循环
- CSS2 可视化模型
- 画布
- CSS 框模型
- 定位方案
- 框类型
- 定位
- 相对定位
- 浮动定位
- 绝对定位和固定定位
- 分层展示
- 资源
我们要讨论的浏览器
目前使用的主流浏览器有五个:Internet Explorer、Firefox、Safari、Chrome 浏览器和 Opera。本文中以开放源代码浏览器为例,即 Firefox、Chrome 浏览器和 Safari(部分开源)。根据 StatCounter 浏览器统计数据,目前(2011 年 8 月)Firefox、Safari 和 Chrome 浏览器的总市场占有率将近 60%。由此可见,如今开放源代码浏览器在浏览器市场中占据了非常坚实的部分。
浏览器的主要功能
浏览器的主要功能就是向服务器发出请求,在浏览器窗口中展示您选择的网络资源。这里所说的资源一般是指 HTML 文档,也可以是 PDF、图片或其他的类型。资源的位置由用户使用 URI(统一资源标示符)指定。
浏览器解释并显示 HTML 文件的方式是在 HTML 和 CSS 规范中指定的。这些规范由网络标准化组织 W3C(万维网联盟)进行维护。
多年以来,各浏览器都没有完全遵从这些规范,同时还在开发自己独有的扩展程序,这给网络开发人员带来了严重的兼容性问题。如今,大多数的浏览器都是或多或少地遵从规范。
浏览器的用户界面有很多彼此相同的元素,其中包括:
- 用来输入 URI 的地址栏
- 前进和后退按钮
- 书签设置选项
- 用于刷新和停止加载当前文档的刷新和停止按钮
- 用于返回主页的主页按钮
奇怪的是,浏览器的用户界面并没有任何正式的规范,这是多年来的最佳实践自然发展以及彼此之间相互模仿的结果。HTML5 也没有定义浏览器必须具有的用户界面元素,但列出了一些通用的元素,例如地址栏、状态栏和工具栏等。当然,各浏览器也可以有自己独特的功能,比如 Firefox 的下载管理器。
浏览器的高层结构
浏览器的主要组件为 (1.1):
- 用户界面 - 包括地址栏、前进/后退按钮、书签菜单等。除了浏览器主窗口显示的您请求的页面外,其他显示的各个部分都属于用户界面。
- 浏览器引擎 - 在用户界面和呈现引擎之间传送指令。
- 呈现引擎 - 负责显示请求的内容。如果请求的内容是 HTML,它就负责解析 HTML 和 CSS 内容,并将解析后的内容显示在屏幕上。
- 网络 - 用于网络调用,比如 HTTP 请求。其接口与平台无关,并为所有平台提供底层实现。
- 用户界面后端 - 用于绘制基本的窗口小部件,比如组合框和窗口。其公开了与平台无关的通用接口,而在底层使用操作系统的用户界面方法。
- JavaScript 解释器。用于解析和执行 JavaScript 代码。
- 数据存储。这是持久层。浏览器需要在硬盘上保存各种数据,例如 Cookie。新的 HTML 规范 (HTML5) 定义了“网络数据库”,这是一个完整(但是轻便)的浏览器内数据库。
呈现引擎
呈现引擎的作用嘛...当然就是“呈现”了,也就是在浏览器的屏幕上显示请求的内容。
默认情况下,呈现引擎可显示 HTML 和 XML 文档与图片。通过插件(或浏览器扩展程序),还可以显示其它类型的内容;例如,使用 PDF 查看器插件就能显示 PDF 文档。但是在本章中,我们将集中介绍其主要用途:显示使用 CSS 格式化的 HTML 内容和图片。
呈现引擎
本文所讨论的浏览器(Firefox、Chrome 浏览器和 Safari)是基于两种呈现引擎构建的。Firefox 使用的是 Gecko,这是 Mozilla 公司“自制”的呈现引擎。而 Safari 和 Chrome 浏览器使用的都是 Webkit。
Webkit 是一种开放源代码呈现引擎,起初用于 Linux 平台,随后由 Apple 公司进行修改,从而支持苹果机和 Windows。有关详情,请参阅 webkit.org。
主流程
呈现引擎一开始会从网络层获取请求文档的内容,内容的大小一般限制在 8000 个块以内。
然后进行如下所示的基本流程:
呈现引擎将开始解析 HTML 文档,并将各标记逐个转化成“内容树”上的 DOM 节点。同时也会解析外部 CSS 文件以及样式元素中的样式数据。HTML 中这些带有视觉指令的样式信息将用于创建另一个树结构:呈现树。
呈现树包含多个带有视觉属性(如颜色和尺寸)的矩形。这些矩形的排列顺序就是它们将在屏幕上显示的顺序。
呈现树构建完毕之后,进入“布局”处理阶段,也就是为每个节点分配一个应出现在屏幕上的确切坐标。下一个阶段是绘制 - 呈现引擎会遍历呈现树,由用户界面后端层将每个节点绘制出来。
需要着重指出的是,这是一个渐进的过程。为达到更好的用户体验,呈现引擎会力求尽快将内容显示在屏幕上。它不必等到整个 HTML 文档解析完毕之后,就会开始构建呈现树和设置布局。在不断接收和处理来自网络的其余内容的同时,呈现引擎会将部分内容解析并显示出来。
主流程示例
从图 3 和图 4 可以看出,虽然 Webkit 和 Gecko 使用的术语略有不同,但整体流程是基本相同的。
Gecko 将视觉格式化元素组成的树称为“框架树”。每个元素都是一个框架。Webkit 使用的术语是“呈现树”,它由“呈现对象”组成。对于元素的放置,Webkit 使用的术语是“布局”,而 Gecko 称之为“重排”。对于连接 DOM 节点和可视化信息从而创建呈现树的过程,Webkit 使用的术语是“附加”。有一个细微的非语义差别,就是 Gecko 在 HTML 与 DOM 树之间还有一个称为“内容槽”的层,用于生成 DOM 元素。我们会逐一论述流程中的每一部分:
解析 - 综述
解析是呈现引擎中非常重要的一个环节,因此我们要更深入地讲解。首先,来介绍一下解析。
解析文档是指将文档转化成为有意义的结构,也就是可让代码理解和使用的结构。解析得到的结果通常是代表了文档结构的节点树,它称作解析树或者语法树。
示例 - 解析 2 + 3 - 1 这个表达式,会返回下面的树:
语法
解析是以文档所遵循的语法规则(编写文档所用的语言或格式)为基础的。所有可以解析的格式都必须对应确定的语法(由词汇和语法规则构成)。这称为与上下文无关的语法。人类语言并不属于这样的语言,因此无法用常规的解析技术进行解析。
解析器和词法分析器的组合
解析的过程可以分成两个子过程:词法分析和语法分析。
词法分析是将输入内容分割成大量标记的过程。标记是语言中的词汇,即构成内容的单位。在人类语言中,它相当于语言字典中的单词。
语法分析是应用语言的语法规则的过程。
解析器通常将解析工作分给以下两个组件来处理:词法分析器(有时也称为标记生成器),负责将输入内容分解成一个个有效标记;而解析器负责根据语言的语法规则分析文档的结构,从而构建解析树。词法分析器知道如何将无关的字符(比如空格和换行符)分离出来。
解析是一个迭代的过程。通常,解析器会向词法分析器请求一个新标记,并尝试将其与某条语法规则进行匹配。如果发现了匹配规则,解析器会将一个对应于该标记的节点添加到解析树中,然后继续请求下一个标记。
如果没有规则可以匹配,解析器就会将标记存储到内部,并继续请求标记,直至找到可与所有内部存储的标记匹配的规则。如果找不到任何匹配规则,解析器就会引发一个异常。这意味着文档无效,包含语法错误。
翻译
很多时候,解析树还不是最终产品。解析通常是在翻译过程中使用的,而翻译是指将输入文档转换成另一种格式。编译就是这样一个例子。编译器可将源代码编译成机器代码,具体过程是首先将源代码解析成解析树,然后将解析树翻译成机器代码文档。
解析示例
在图 5 中,我们通过一个数学表达式建立了解析树。现在,让我们试着定义一个简单的数学语言,用来演示解析的过程。
词汇:我们用的语言可包含整数、加号和减号。语法:
- 构成语言的语法单位是表达式、项和运算符。
- 我们用的语言可以包含任意数量的表达式。
- 表达式的定义是:一个“项”接一个“运算符”,然后再接一个“项”。
- 运算符是加号或减号。
- 项是一个整数或一个表达式。
让我们分析一下 2 + 3 - 1。
匹配语法规则的第一个子串是 2,而根据第 5 条语法规则,这是一个项。匹配语法规则的第二个子串是 2 + 3,而根据第 3 条规则(一个项接一个运算符,然后再接一个项),这是一个表达式。下一个匹配项已经到了输入的结束。2 + 3 - 1 是一个表达式,因为我们已经知道 2 + 3 是一个项,这样就符合“一个项接一个运算符,然后再接一个项”的规则。2 + + 不与任何规则匹配,因此是无效的输入。
词汇和语法的正式定义
词汇通常用正则表达式表示。
例如,我们的示例语言可以定义如下:
INTEGER :0|[1-9][0-9]*
PLUS : +
MINUS: -
语法通常使用一种称为 BNF 的格式来定义。我们的示例语言可以定义如下:
expression := term operation term
operation := PLUS | MINUS
term := INTEGER | expression
之前我们说过,如果语言的语法是与上下文无关的语法,就可以由常规解析器进行解析。与上下文无关的语法的直观定义就是可以完全用 BNF 格式表达的语法。有关正式定义,请参阅关于与上下文无关的语法的维基百科文章。
解析器类型
有两种基本类型的解析器:自上而下解析器和自下而上解析器。直观地来说,自上而下的解析器从语法的高层结构出发,尝试从中找到匹配的结构。而自下而上的解析器从低层规则出发,将输入内容逐步转化为语法规则,直至满足高层规则。
让我们来看看这两种解析器会如何解析我们的示例:
自上而下的解析器会从高层的规则开始:首先将 2 + 3 标识为一个表达式,然后将 2 + 3 - 1 标识为一个表达式(标识表达式的过程涉及到匹配其他规则,但是起点是最高级别的规则)。
自下而上的解析器将扫描输入内容,找到匹配的规则后,将匹配的输入内容替换成规则。如此继续替换,直到输入内容的结尾。部分匹配的表达式保存在解析器的堆栈中。
堆栈 | 输入 |
---|---|
2 + 3 - 1 | |
项 | + 3 - 1 |
项运算 | 3 - 1 |
表达式 | - 1 |
表达式运算符 | 1 |
表达式 |
自动生成解析器
有一些工具可以帮助您生成解析器,它们称为解析器生成器。您只要向其提供您所用语言的语法(词汇和语法规则),它就会生成相应的解析器。创建解析器需要对解析有深刻理解,而人工创建优化的解析器并不是一件容易的事情,所以解析器生成器是非常实用的。
Webkit 使用了两种非常有名的解析器生成器:用于创建词法分析器的 Flex 以及用于创建解析器的 Bison(您也可能遇到 Lex 和 Yacc 这样的别名)。Flex 的输入是包含标记的正则表达式定义的文件。Bison 的输入是采用 BNF 格式的语言语法规则。
HTML 解析器
HTML 解析器的任务是将 HTML 标记解析成解析树。
HTML 语法定义
HTML 的词汇和语法在 W3C 组织创建的规范中进行了定义。当前的版本是 HTML4,HTML5 正在处理过程中。
非与上下文无关的语法
正如我们在解析过程的简介中已经了解到的,语法可以用 BNF 等格式进行正式定义。
很遗憾,所有的常规解析器都不适用于 HTML(我并不是开玩笑,它们可以用于解析 CSS 和 JavaScript)。HTML 并不能很容易地用解析器所需的与上下文无关的语法来定义。有一种可以定义 HTML 的正规格式:DTD(Document Type Definition,文档类型定义),但它不是与上下文无关的语法。
这初看起来很奇怪:HTML 和 XML 非常相似。有很多 XML 解析器可以使用。HTML 存在一个 XML 变体 (XHTML),那么有什么大的区别呢?区别在于 HTML 的处理更为“宽容”,它允许您省略某些隐式添加的标记,有时还能省略一些起始或者结束标记等等。和 XML 严格的语法不同,HTML 整体来看是一种“软性”的语法。
显然,这种看上去细微的差别实际上却带来了巨大的影响。一方面,这是 HTML 如此流行的原因:它能包容您的错误,简化网络开发。另一方面,这使得它很难编写正式的语法。概括地说,HTML 无法很容易地通过常规解析器解析(因为它的语法不是与上下文无关的语法),也无法通过 XML 解析器来解析。
HTML DTD
HTML 的定义采用了 DTD 格式。此格式可用于定义 SGML 族的语言。它包括所有允许使用的元素及其属性和层次结构的定义。如上文所述,HTML DTD 无法构成与上下文无关的语法。
DTD 存在一些变体。严格模式完全遵守 HTML 规范,而其他模式可支持以前的浏览器所使用的标记。这样做的目的是确保向下兼容一些早期版本的内容。最新的严格模式 DTD 可以在这里找到:www.w3.org/TR/html4/strict.dtd
DOM
解析器的输出“解析树”是由 DOM 元素和属性节点构成的树结构。DOM 是文档对象模型 (Document Object Model) 的缩写。它是 HTML 文档的对象表示,同时也是外部内容(例如 JavaScript)与 HTML 元素之间的接口。
解析树的根节点是“Document”对象。DOM 与标记之间几乎是一一对应的关系。比如下面这段标记:
Hello World
和 HTML 一样,DOM 也是由 W3C 组织指定的。请参见www.w3.org/DOM/DOMTR。这是关于文档操作的通用规范。其中一个特定模块描述针对 HTML 的元素。HTML 的定义可以在这里找到:www.w3.org/TR/2003/REC-DOM-Level-2-HTML-20030109/idl-definitions.html。
我所说的树包含 DOM 节点,指的是树是由实现了某个 DOM 接口的元素构成的。浏览器所用的具体实现也会具有一些其他属性,供浏览器在内部使用。
解析算法
我们在之前章节已经说过,HTML 无法用常规的自上而下或自下而上的解析器进行解析。原因在于:
- 语言的宽容本质。
- 浏览器历来对一些常见的无效 HTML 用法采取包容态度。
- 解析过程需要不断地反复。源内容在解析过程中通常不会改变,但是在 HTML 中,脚本标记如果包含
document.write
,就会添加额外的标记,这样解析过程实际上就更改了输入内容。
由于不能使用常规的解析技术,浏览器就创建了自定义的解析器来解析 HTML。HTML5 规范详细地描述了解析算法。此算法由两个阶段组成:标记化和树构建。
标记化是词法分析过程,将输入内容解析成多个标记。HTML 标记包括起始标记、结束标记、属性名称和属性值。标记生成器识别标记,传递给树构造器,然后接受下一个字符以识别下一个标记;如此反复直到输入的结束。
标记化算法
该算法的输出结果是 HTML 标记。该算法使用状态机来表示。每一个状态接收来自输入信息流的一个或多个字符,并根据这些字符更新下一个状态。当前的标记化状态和树结构状态会影响进入下一状态的决定。这意味着,即使接收的字符相同,对于下一个正确的状态也会产生不同的结果,具体取决于当前的状态。该算法相当复杂,无法在此详述,所以我们通过一个简单的示例来帮助大家理解其原理。
基本示例 - 将下面的 HTML 代码标记化:
Hello world
初始状态是数据状态。遇到字符 <
时,状态更改为“标记打开状态”。接收一个 a-z
字符会创建“起始标记”,状态更改为“标记名称状态”。这个状态会一直保持到接收>
字符。在此期间接收的每个字符都会附加到新的标记名称上。在本例中,我们创建的标记是 html
标记。
遇到 >
标记时,会发送当前的标记,状态改回“数据状态”。 标记也会进行同样的处理。目前
html
和 body
标记均已发出。现在我们回到“数据状态”。接收到 Hello world
中的 H
字符时,将创建并发送字符标记,直到接收 中的
<
。我们将为 Hello world
中的每个字符都发送一个字符标记。
现在我们回到“标记打开状态”。接收下一个输入字符 /
时,会创建 end tag token
并改为“标记名称状态”。我们会再次保持这个状态,直到接收 >
。然后将发送新的标记,并回到“数据状态”。