Icon could not be loaded
浏览器工作原理
Icon could not be loaded
24 min read
#writings#FE

浏览器从URL到网页的过程：

  1. 浏览器使用HTTP协议或者HTTPS协议，向服务器请求页面
  2. 把请求回来的HTML代码经过解析，构建成DOM树
  3. 计算DOM树上的CSS属性
  4. 最后根据CSS属性对元素逐个进行渲染，得到内存中的位图
  5. 一个可选的步骤是对位图进行合成，这会极大地增加后续绘制的速度
  6. 合成之后，再绘制到界面上

从HTTP请求回来之后，这个过程并非一般想象中的一步做完再做下一步，而是一条流水线。 从HTTP请求回来，就构成了流式的数据，后续的DOM树构建、CSS计算、渲染、合成、绘制，都是尽可能地处理前一步的产出：即不等到上一步骤完全结束，就开始处理上一步的输出，这样在浏览网页时，才会看到逐步出现的画面。

网页请求从 HTML 文件请求开始。服务器返回 HTML——响应头和数据。然后浏览器开始解析 HTML，转换收到的数据为 DOM 树。浏览器每次发现外部资源就初始化请求，无论是样式、脚本或者嵌入的图片引用。有时请求会阻塞，这意味着解析剩下的 HTML 会被终止直到重要的资源被处理。浏览器接着解析 HTML，发请求和构造 DOM 直到文件结尾，这时开始构造 CSS 对象模型。等到 DOM 和 CSSOM 完成之后，浏览器构造渲染树，计算所有可见内容的样式。一旦渲染树完成布局开始，定义所有渲染树元素的位置和大小。完成之后，页面被渲染完成，或者说是绘制到屏幕上。

HTTP协议

浏览器要做的事就是根据URL把数据取出来，取回数据使用的是HTTP协议，实际上这个过程之前还有个DNS查询。

HTTP标准由IETF组织制定，跟它相关的标准主要有两份：

HTTP协议是基于TCP协议出现的，对TCP协议来说，TCP协议是一条双向的通讯通道，HTTP在TCP基础上，规定了Requset-Response的模式。这个模式决定了必定是由浏览器端率先发起的。

大部分情况下，浏览器的实现者只需要用一个TCP库，甚至一个现成的HTTP库就能搞定浏览器的网络通讯部分。HTTP是纯粹的文本协议，它是规定了使用TCP协议来传输文本格式的一个应用层协议。

下面我们使用纯粹的TCP客户端手动实现HTTP

首先运行telnet，并连接到baidu.com主机，在命令行输入如下内容

telnet baidu.com 80

image.png

这个时候，TCP连接已经简历，输入如下字符作为请求：

GET / HTTP/1.1
Host: baidu.com

按下两次回车，可收到服务端请求：

HTTP/1.1 200 OK
Date: Tue, 01 Aug 2023 09:47:39 GMT
Server: Apache
Last-Modified: Tue, 12 Jan 2010 13:48:00 GMT
ETag: "51-47cf7e6ee8400"
Accept-Ranges: bytes
Content-Length: 81
Cache-Control: max-age=86400
Expires: Wed, 02 Aug 2023 09:47:39 GMT
Connection: Keep-Alive
Content-Type: text/html

<html>
<meta http-equiv="refresh" content="0;url=http://www.baidu.com/">
</html>

这就是一次完整的HTTP请求过程了，可以看到在TCP通道中传输的，完全是文本。

在请求部分，第一行被称作request line，它分为3部分：HTTP Method、请求路径、请求的协议和版本。

在响应部分，第一行被称为response line，也分为3部分：协议和版本、状态码和状态文本。 紧跟在request line或response line之后的，是请求头/响应头，这些头由若干行组成，每行是用冒号分割的名称和值。

在头之后，以一个空行（两个换行符）为分割，是请求体/响应体，请求体可能包含文件或者表单数据，响应体则是HTML代码。

HTTP Method

首先看request line里面的方法。这里的方法与编程中的方法意义类似，表示此次HTTP请求希望执行的操作类型。方法有以下几种定义：

浏览器通过地址栏访问都是GET方法，表单提交产生POST方法。 HEAD与GET类似，只返回响应头，多数由JavaScript发起。 PUT和DELETE分别表示添加资源和删除资源，但这只是语义上的约束。 CONNECT多用于HTTPS和WebSocket OPTIONS和TRACE一般用于调试，多数线上服务都不支持。

HTTP Status code & Status text

常见的HTTP状态码有以下几种：

对前端而言，1xx系列的状态码非常陌生，原因是1xx的状态被浏览器HTTP库直接处理掉了，不会让上层应用知晓。 2xx系列最熟悉的是200，这通常是网页请求成功的标志。 3xx系列比较复杂，301和302两个状态表示当前资源已被转移，不过一个是永久转移一个是临时转移。实际上301更近似报错，表示客户端下次别来了。 304产生的前提是：客户端本地已经有缓存的版本了，并且在Request中告诉了服务器，当服务器通过事件或tag发现没有更新的时候，就会返回不含body的304状态。

HTTP Head

HTTP头可以看成一个键值对。原则上HTTP头也是一种数据，我们可以自由定义HTTP头和值。在HTTP标准中定义了完整的请求、响应头。

先来看看Request Header。 image.png 接下来看下Response Header： image.png

上方仅仅列出了常用的HTTP头，完整列表可在rfc2616中找到。

HTTP Request Body

HTTP请求的Body主要用于提交表单的场景。实际上HTTP请求的body是比较自由的，只要浏览器端发送的Body服务端认可就可以。一些常见的body格式：

HTTPS

在HTTP协议的基础上，HTTPS和HTTP2规定了更复杂的内容，但是它基本保持了HTTP的设计思想，即：Request-Response模式。

HTTPS有两个作用，一是确定请求的目标服务器身份，二是保证传输的数据不会被网络中间节点窃听或篡改。

HTTPS相关标准链接：RFC 2818 - HTTP Over TLS HTTPS使用加密通道传输HTTP的内容，但是HTTP首先与服务器建立一条TLS加密通道。TLS构建于TCP协议之上，它实际上是对传输内容作了一次加密，所以从传输内容上看，HTTPS和HTTP没有任何区别。

HTTP2

HTTP2是对HTTP1.1的升级，相关标准参考：RFC 7540 - Hypertext Transfer Protocol Version 2 (HTTP/2)

HTTP2.0最大的改进有2点，一是支持服务端推送，二是支持TCP连接复用。

服务端推送能够在客户端发送第一个请求到服务端时，提前把一部分内容推送给客户端，放入缓存中。可以避免客户端请求顺序带来的并行度不高导致的性能问题。 TCP连接复用，则使用同一个TCP连接来传输多个HTTP请求，避免了TCP连接建立时的3次握手开销，和初建TCP连接时传输窗口小的问题。

构建DOM树🌲

通过HTTP请求返回了网页的HTML内容，接下来介绍如何解析HTML代码，DOM树又如何构建。

DOM 树描述了文档的内容。<html>元素是第一个标签也是文档树的根节点。树反映了不同标记之间的关系和层次结构。嵌套在其他标记中的标记是子节点。DOM 节点的数量越多，构建 DOM 树所需的时间就越长。 image.png

HTML的结构并不算太复杂，日常开发需要的“词”（编译原理中的token，表示最小有意义的单元），种类大约只有标签开始、属性、标签结束、注释、CDATA节点几种。 image.png

浏览器从HTTP协议收到的字符流读取字符。每输入一个字符，都要做一个决策，判断当前节点类型与操作，浏览器工程师常用状态机实现将字符流解析为词。

image.png HTML官方文档规定了80多个状态，用状态机做词法分析，其实就是把每个词的特征字符逐个拆开成独立状态，然后再把所有词的特征字符链合并起来，形成连通图结构。

接下来要把这些简单的词构建为DOM树，这个过程用栈来实现：

function HTMLSyntaticalParser(){
    var stack = [new HTMLDocument];
    this.receiveInput = function(token) {
        //……
    }
    this.getOutput = function(){
        return stack[0];
    }
}

receiveInput负责接受词法部分产生的词，在接受的同时开始构建DOM树，当接收完所有输入，栈顶就是最后的根节点了，也就是DOM树的产出。在符合标准的浏览器中，不一样的HTML节点对应了不同的Node的子类。

大致流程如下：

构建CSSOM树🌲

CSS 对象模型 (CSSOM) 是树形式的所有 CSS 选择器和每个选择器的相关属性的映射，具有树的根节点，同级，后代，子级和其他关系。CSSOM 与文档对象模型 (DOM)非常相似。两者都是关键渲染路径的一部分，也是正确渲染一个网站必须采取的一系列步骤。

CSSOM 与 DOM 一起构建渲染树，浏览器依次使用渲染树来布局和绘制网页。

CSS 有其自身的规则集合用来定义标识。注意 CSS 中的 C 代表的是“层叠”。CSS 规则是级联的。随着解析器转换标识为节点，节点的后代继承了样式。像处理 HTML 那样的增量处理功能没有被应用到 CSS 上，因为后续规则可能被之前的所覆盖。CSS 对象模型随着 CSS 的解析而被构建，但是直到完成都不能被用来构建渲染树，因为样式将会被之后的解析所覆盖而不应该被渲染到屏幕上。

其他过程

JavaScript编译

当 CSS 被解析并创建 CSSOM 时，其他资源，包括 JavaScript 文件正在下载（借助预加载扫描器）。JavaScript 被解释、编译、解析和执行。脚本被解析为抽象语法树。一些浏览器引擎使用抽象语法树（AST）并将其传递到解释器中，输出在主线程上执行的字节码。这就是所谓的 JavaScript 编译。

构建辅助功能树🌲

浏览器还构建辅助设备用于分析和解释内容的辅助功能（accessibility）树。无障碍对象模型（AOM）类似于 DOM 的语义版本。当 DOM 更新时，浏览器会更新辅助功能树。辅助技术本身无法修改无障碍树。

在构建 AOM 之前，屏幕阅读器无法访问内容。

渲染

渲染步骤包括样式、布局、绘制，在某些情况下还包括合成。在解析步骤中创建的 CSSOM 树和 DOM 树组合成一个 Render 树，然后用于计算每个可见元素的布局，然后将其绘制到屏幕上。在某些情况下，可以将内容提升到它们自己的层并进行合成，通过在 GPU 而不是 CPU 上绘制屏幕的一部分来提高性能，从而释放主线程。

构建Render树🌲

接下来将 DOM 和 CSSOM 组合成一个 Render 树，计算样式树或渲染树从 DOM 树的根开始构建，遍历每个可见节点。

像<head>和它的子节点以及任何具有 display: none 样式的结点，例如 script { display: none; }（在 user agent stylesheets 可以看到这个样式）这些标签将不会显示，也就是它们不会出现在 Render 树上。具有 visibility: hidden 的节点会出现在 Render 树上，因为它们会占用空间。

每个可见节点都应用了其 CSSOM 规则。Render 树保存所有具有内容和计算样式的可见节点——将所有相关样式匹配到 DOM 树中的每个可见节点，并根据CSS 级联确定每个节点的计算样式。

Layout

接下来在渲染树上运行布局以计算每个节点的几何体。布局是确定呈现树中所有节点的宽度、高度和位置，以及确定页面上每个对象的大小和位置的过程。回流是对页面的任何部分或整个文档的任何后续大小和位置的确定。

构建渲染树后，开始布局。渲染树标识显示哪些节点（即使不可见）及其计算样式，但不标识每个节点的尺寸或位置。为了确定每个对象的确切大小和位置，浏览器从渲染树的根开始遍历它。

在网页上，大多数东西都是一个盒子。不同的设备和不同的桌面意味着无限数量的不同的视区大小。在此阶段，考虑到视区大小，浏览器将确定屏幕上所有不同框的尺寸。以视区的大小为基础，布局通常从 body 开始，用每个元素的框模型属性排列所有 body 的子孙元素的尺寸，为不知道其尺寸的替换元素（例如图像）提供占位符空间。

第一次确定节点的大小和位置称为布局。随后对节点大小和位置的重新计算称为回流。假设初始布局发生在返回图像之前，若我们没有提前声明图像的大小，一旦确定了图像大小，就会有回流。

Paint

最后一步是将各个节点绘制到屏幕上，第一次出现的节点称为first meaningful paint。在绘制或光栅化阶段，浏览器将在布局阶段计算的每个框转换为屏幕上的实际像素。绘画包括将元素的每个可视部分绘制到屏幕上，包括文本、颜色、边框、阴影和替换的元素（如按钮和图像）。浏览器需要非常快地完成这项工作。

绘制可以将布局树中的元素分解为多个层。将内容提升到 GPU 上的层（而不是 CPU 上的主线程）可以提高绘制和重新绘制性能。有一些特定的属性和元素可以实例化一个层，包括 <video> 和 <canvas>，任何 CSS 属性为 opacity、3D transform、will-change的元素，还有一些其他元素。这些节点将与子节点一起绘制到它们自己的层上，除非子节点由于上述一个（或多个）原因需要自己的层。

Compositing

当文档的各个部分以不同的层绘制，相互重叠时，必须进行合成，以确保它们以正确的顺序绘制到屏幕上，并正确显示内容。

当页面继续加载资源时，可能会发生回流（例如加载图片资源），回流会触发重新绘制和重新组合。例如，如果我们定义了图像的大小，就不需要重新绘制，只需要重新绘制需要重新绘制的层，并在必要时进行合成。若未设置图像大小，从服务器获取图像后，渲染过程将返回到布局步骤并从那里重新开始。

Interactivity

一旦主线程绘制页面完成，可以认为已经“准备好了”，但事实并非如此。如果加载包含 JavaScript（并且延迟到onload事件激发后执行），则主线程可能很忙，无法用于滚动、触摸和其他交互。

TTI（Time to Interactivity）是测量从第一个请求导致 DNS 查询和 SSL 连接到页面可交互时所用的时间（可交互是First Contentful Paint之后的时间点）。如果主线程正在解析、编译和执行 JavaScript，则它不可用，因此无法及时（小于 50ms）响应用户交互。