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浏览器架构、渲染原理与页面优化

注：以下内容来自于极客时间李兵老师的《浏览器工作原理与实践》课程总结

浏览器架构

多进程架构

概述

现代浏览器采用多进程架构的模式，一般而言，一个页面会是一个渲染进程（可能存在同一站点same-site多页面复用同一个渲染进程的情况），另外，还有浏览器的主进程、GPU进程、网络进程、插件进程等等。如下图
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各个进程的功能
  • 主进程：主要负责界面显示、用户交互、子进程管理，同时提供存储等功能。
  • 渲染进程：核心任务是将 HTML、CSS 和 JavaScript 转换为用户可以与之交互的网页，排版引擎 Blink 和 JavaScript 引擎 V8 都是运行在该进程中，默认情况下，Chrome 会为每个 Tab 标签创建一个渲染进程。出于安全考虑，渲染进程都是运行在沙箱模式下。
  • GPU 进程：其实，Chrome 刚开始发布的时候是没有 GPU 进程的。而 GPU 的使用初衷是为了实现 3D CSS 的效果，只是随后网页、Chrome 的 UI 界面都选择采用 GPU 来绘制，这使得 GPU 成为浏览器普遍的需求。最后，Chrome 在其多进程架构上也引入了 GPU 进程。
  • 网络进程：主要负责页面的网络资源加载，之前是作为一个模块运行在浏览器进程里面的，直至最近才独立出来，成为一个单独的进程。
  • 插件进程：主要是负责插件的运行，因插件易崩溃，所以需要通过插件进程来隔离，以保证插件进程崩溃不会对浏览器和页面造成影响。
回顾单进程浏览器架构

单进程浏览器：浏览器的所有功能模块都是运行在同一个进程里，这些模块包含了网络、插件、JavaScript 运行环境、渲染引擎和页面等。

架构图
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单进程架构的缺陷

  • 不稳定：多个线程运行在同一个进程中，尤其是插件线程的崩溃会导致整个进程的崩溃，复杂的JavaScript代码也容易导致页面线程的崩溃，进而导致整个进程的崩溃。所以，单进程架构不稳定。
  • 不流畅：
    • 任务的排斥：所有页面的渲染模块、JavaScript 执行环境以及插件都是运行在同一个线程中的，所有页面在同一时刻只能有一个模块可以执行，一旦有耗时任务，则页面的其他任务无法执行，浏览器就会失去响应。
    • 内存泄漏：复杂的页面退出时，内存回收不完全，导致浏览器运行时间越长，会越来越卡顿。
  • 不安全：用C或C++撰写的插件可以获取操作系统的资源，另外，JavaScript脚本也可能获取到一定的系统权限，没有沙箱隔离，有很大的安全隐患。
多进程架构的特点
  • 解决了单进程架构的稳定性、流畅性和安全性相关的问题
  • 带来了更多的资源占用（如所有页面进程都包含有JavaScript执行引擎）
  • 带来了更复杂的体系架构（各模块之间的耦合度高，可扩展性降低）
未来：面向服务的架构（SOA）
  • 模块会被重构成独立的服务（Service）
  • 每个服务（Service）都可以在独立的进程中运行
  • 访问服务（Service）必须使用定义好的接口，通过 IPC 来通信
  • 构建一个更内聚、松耦合、易于维护和扩展的系统

架构如图
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浏览器渲染

从输入URL到页面显示的整个流程

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整个流程
  • 首先，浏览器进程接收到用户输入的 URL 请求，浏览器进程便将该 URL 转发给网络进程。
  • 然后，在网络进程中发起真正的 URL 请求。
  • 接着网络进程接收到了响应头数据，便解析响应头数据，并将数据转发给浏览器进程。
  • 浏览器进程接收到网络进程的响应头数据之后，发送“提交导航 (CommitNavigation)”消息到渲染进程；
  • 渲染进程接收到“提交导航”的消息之后，便开始准备接收 HTML 数据，接收数据的方式是直接和网络进程建立数据管道；
  • 最后渲染进程会向浏览器进程“确认提交”，这是告诉浏览器进程：“已经准备好接受和解析页面数据了”。
  • 浏览器进程接收到渲染进程“提交文档”的消息之后，便开始移除之前旧的文档（这里就会有白屏出现），然后更新浏览器进程中的页面状态。
导航

从用户输入URL到页面开始解析HTML之间的流程，称为导航。

  • 用户输入：当用户输入URL后，会触发当前页面的beforeunload事件。当前页面如果没有监听 beforeunload 事件或者同意了，则继续后续流程。此时标签页开始显示加载中的图标，同时地址栏也会出现X图标。
  • URL请求：浏览器网络进程开始与服务器通信，获取响应数据。通过对响应头的解析，如果不包含重定向之类的头部信息，则继续处理。如果包含重定向，则根据头部信息重新发出请求。
    • 响应数据类型的处理：浏览器根据头部Content-Type字段来判断是什么类型的响应数据。
      • text/html：HTML页面，继续导航流程，创建渲染进程。
      • application/octet-stream：字节流类型，浏览器会启用下载管理器来下载该类型文件，导航流程结束。
  • 准备渲染进程：默认情况下，Chrome 会为每个页面分配一个渲染进程
    • 同站点页面：浏览器会让多个页面直接运行在同一个渲染进程中。
      • 同一站点：定义为根域名（例如，geekbang.org）加上协议（例如，https:// 或者 http://），还包含了该根域名下的所有子域名和不同的端口。从同一站点的一个页面打开到另一个页面，则这两个页面复用一个渲染进程，称为process-per-site-instance。
  • 提交文档：浏览器进程将网络进程接收到的 HTML 数据提交给准备好的渲染进程。
    • 首先当浏览器进程接收到网络进程的响应头数据之后，便向渲染进程发起“提交文档”的消息；
    • 渲染进程接收到“提交文档”的消息后，会和网络进程建立传输数据的“管道”；
    • 文档数据传输完成之后，渲染进程会返回“确认提交”的消息给浏览器进程；
    • 浏览器进程在收到“确认提交”的消息后，会更新浏览器界面状态，包括了安全状态、地址栏的 URL、前进后退的历史状态，并更新 Web 页面。
  • 开始渲染阶段
渲染

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渲染流程很复杂，输入的HTML以及CSS、JavaScript最终经过渲染流程转化为像素显示出来。将渲染流程划分为一系列子阶段来剖析整个流程，即渲染流水线。
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渲染流水线：构建 DOM 树、样式计算、布局阶段、分层、绘制、分块、光栅化、合成 这些阶段。

  • 构建DOM树：经HTML解析器，将HTML文档转换为DOM树。
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    在渲染引擎内部有一个HTML解析器，随着网络进程加载了多少数据，解析器就解析多少数据，而不是等文档整个加载完才解析。

    • DOM生成流程：字节流转换为DOM的过程
      浏览器架构、渲染原理与页面优化_第8张图片

      • 分词器将字节流转换为Token
        字节流转换为token

      • Token解析为DOM节点，将节点添加到DOM树。

    • 解析原理：HTML 解析器维护了一个 Token 栈结构，该 Token 栈主要用来计算节点之间的父子关系，在第一个阶段中生成的 Token 会被按照顺序压到这个栈中。

      具体的处理规则如下所示：

      • 如果压入到栈中的是 StartTag Token，HTML 解析器会为该 Token 创建一个 DOM 节点，然后将该节点加入到 DOM 树中，它的父节点就是栈中相邻的那个元素生成的节点。
      • 如果分词器解析出来是文本 Token，那么会生成一个文本节点，然后将该节点加入到 DOM 树中，文本 Token 是不需要压入到栈中，它的父节点就是当前栈顶 Token 所对应的 DOM 节点。
      • 如果分词器解析出来的是 EndTag 标签，比如是 EndTag div，HTML 解析器会查看 Token 栈顶的元素是否是 StarTag div，如果是，就将 StartTag div 从栈中弹出，表示该 div 元素解析完成。

    • 解析阻塞：在解析HTML构建DOM树时，如果遇到

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