一文摸透從輸入URL到頁面渲染的過程

一文摸透從輸入URL到頁面渲染的過程

從輸入URL到頁面渲染須要Chrome瀏覽器的多個進程配合，因此咱們先來談談現階段Chrome瀏覽器的多進程架構。

1、Chrome架構

目前Chrome採用的是多進程的架構模式，可分爲主要的五類進程，分別是：瀏覽器（Browser）主進程、 GPU 進程、網絡（NetWork）進程、多個渲染進程和多個插件進程；

• 瀏覽器進程。主要負責界面顯示、用戶交互、子進程管理，同時提供存儲等功能。
• 渲染進程。核心任務是將 HTML、CSS 和 JavaScript 轉換爲用戶能夠與之交互的網頁，排版引擎Blink和JavaScript引擎V8都是運行在該進程中，默認狀況下，Chrome會爲每一個Tab標籤建立一個渲染進程。出於安全考慮，渲染進程都是運行在沙箱模式下。
• GPU進程。其實，Chrome剛開始發佈的時候是沒有GPU進程的。而GPU的使用初衷是爲了實現3D CSS的效果，只是隨後網頁、Chrome的UI界面都選擇採用GPU來繪製，這使得GPU成爲瀏覽器廣泛的需求。最後，Chrome在其多進程架構上也引入了GPU進程。
• 網絡進程。主要負責頁面的網絡資源加載，以前是做爲一個模塊運行在瀏覽器進程裏面的，直至最近才獨立出來，成爲一個單獨的進程。
• 插件進程。主要是負責插件的運行，因插件易崩潰，因此須要經過插件進程來隔離，以保證插件進程崩潰不會對瀏覽器和頁面形成影響

瞭解了Chrome的多進程架構，就可以從宏觀上理解從輸入URL到頁面渲染的過程了，這個過程主要分爲導航階段和渲染階段。

2、導航階段

Ⅰ.瀏覽器主進程

1.用戶輸入URL

• 一、瀏覽器進程檢查url，組裝協議，構成完整的url，這時候有兩種狀況：
  • 輸入的是搜索內容：地址欄會使用瀏覽器默認的搜索引擎，來合成新的帶搜索關鍵字的URL。
  • 輸入的是請求URL：地址欄會根據規則，給這段內容加上協議，合成爲完整的URL；
• 二、瀏覽器進程經過進程間通訊（IPC）把url請求發送給網絡進程；

Ⅱ.網絡進程

2.URL請求過程

• 三、網絡進程接收到url請求後檢查本地緩存是否緩存了該請求資源，若是有則將該資源返回給瀏覽器進程；

這裏涉及到瀏覽器與HTTP協議的緩存策略問題，有興趣的能夠看這篇文章：詳解HTTP協議

• 四、準備IP地址和端口：進行DNS解析時先查找緩存，沒有再使用DNS服務器解析，查找順序爲：

  • 瀏覽器緩存；
  • 本機緩存；
  • hosts文件；
  • 路由器緩存；
  • ISP DNS緩存；
  • DNS遞歸查詢（本地DNS服務器 -> 權限DNS服務器 -> 頂級DNS服務器 -> 13臺根DNS服務器）

• 五、等待TCP隊列：瀏覽器會爲每一個域名最多維護6個TCP鏈接，若是發起一個HTTP請求時，這 6個 TCP鏈接都處於忙碌狀態，那麼這個請求就會處於排隊狀態；解決方案：

  • 採用域名分片技術：將一個站點的資源放在多個（CDN）域名下面。
  • 升級爲HTTP2，就沒有6個TCP鏈接的限制了；

• 六、經過三次握手創建TCP鏈接：

  • 第一次：客戶端先向服務器端發送一個同步數據包，報文的TCP首部中：標誌位：同步SYN爲1，表示這是一個請求創建鏈接的數據包；序號Seq=x，x爲所傳送數據的第一個字節的序號，隨後進入SYN-SENT狀態；

  標誌位值爲1表示該標誌位有效。

  • 第二次：服務器根據收到數據包的SYN標誌位判斷爲創建鏈接的請求，隨後返回一個確認數據包，其中標誌位SYN=1，ACK=1，序號seq=y，確認號ack=x + 1表示收到了客戶端傳輸過來的x字節數據，並但願下次從x+1個字節開始傳，並進入SYN-RCVD狀態；

  這裏要區分標誌位ACK和確認號ack；

  • 第三次：客戶端收到後，再給服務器發送一個確認數據包，標誌位ACK=1，序號seq=x+1，確認號ack=y+1，隨後進入ESTABLISHED狀態；

  服務器端收到後，也進入ESTABLISHED狀態，由此成功創建了TCP鏈接，能夠開始數據傳送；

  • 爲何要第三次揮手？避免服務器等待形成資源浪費，具體緣由：

  若是沒有最後一個數據包確認（第三次握手），A先發出一個創建鏈接的請求數據包，因爲網絡緣由繞遠路了。A通過設定的超時時間後還未收到B的確認數據包。

  因而發出第二個創建鏈接的請求數據包，此次網路通暢，B的確認數據包也很快就到達A。因而A與B開始傳輸數據；

  過了一會A第一次發出的創建鏈接的請求數據包到達了B，B覺得是再次創建鏈接，因此又發出一個確認數據包。因爲A已經收到了一個確認數據包，因此會忽略B發來的第二個確認數據包，可是B發出確認數據包以後就要一直等待A的回覆，而A永遠也不會回覆。

  由此形成服務器資源浪費，這種狀況多了B計算機可能就中止響應了。

• 七、構建併發送HTTP請求信息；

• 八、服務器端處理請求；

• 九、客戶端處理響應，首先檢查服務器響應報文的狀態碼：

  • 若是是301/302表示服務器已更換域名須要重定向，這時網絡進程會從響應頭的Location字段裏面讀取重定向的地址，而後再發起新的HTTP或者HTTPS請求，跳回第4步。
  • 若是是200，就檢查Content-Type字段，值爲text/html說明是HTML文檔，是application/octet-stream說明是文件下載；

• 十、請求結束，當通用首部字段Conection不是Keep-Alive時，即不爲TCP長鏈接時，經過四次揮手斷開TCP鏈接：

• 第一次：客戶端（主動斷開鏈接）發送數據包給服務器，其中標誌位FIN=1，序號位seq=u，並中止發送數據；
• 第二次：服務器收到數據包後，因爲還需傳輸數據，沒法當即關閉鏈接，先返回一個標誌位ACK=1，序號seq=v，確認號ack=u+1的數據包；
• 第三次：服務器準備好斷開鏈接後，返回一個數據包，其中標誌位FIN=1，標誌位ACK=1，序號seq=w，確認號ack=u+1；
• 第四次：客戶端收到數據包後，返回一個標誌位ACK=1，序號seq=u+1，確認號ack=w+1的數據包。

由此經過四次揮手斷開TCP鏈接。

詳細過程參見：詳解TCP鏈接的「三次握手」與「四次揮手」(上)

• 爲何要四次揮手？因爲服務器不能立刻斷開鏈接，致使FIN釋放鏈接報文與ACK確認接收報文須要分兩次傳輸，即第二次和第三次"揮手"；

3.準備渲染進程

• 十一、準備渲染進程：瀏覽器進程檢查當前url是否與以前打開了渲染進程的頁面的根域名相同，若是相同，則複用原來的進程，若是不一樣，則開啓新的渲染進程；

4.提交文檔

• 十二、提交文檔：
  • 渲染進程準備好後，瀏覽器向渲染進程發起「提交文檔」的消息，渲染進程接收到消息後與網絡進程創建傳輸數據的「管道」
  • 渲染進程接收完數據後，向瀏覽器發送「確認提交」
  • 瀏覽器進程接收到確認消息後更新瀏覽器界面狀態：安全狀態、地址欄url、前進後退的歷史狀態、更新web頁面

3、渲染階段

在渲染階段經過渲染流水線在渲染進程的主線程和合成線程配合下，完成頁面的渲染；

Ⅲ.渲染進程

渲染進程中的主線程部分

5.構建DOM樹

• 1三、先將請求回來的數據解壓，隨後HTML解析器將其中的HTML字節流經過分詞器拆分爲一個個Token，而後生成節點Node，最後解析成瀏覽器識別的DOM樹結構。

  能夠經過Chrome調試工具的Console選項打開控制檯輸入document查看DOM樹；

渲染引擎還有一個安全檢查模塊叫 XSSAuditor，是用來檢測詞法安全的。在分詞器解析出來 Token 以後，它會檢測這些模塊是否安全，好比是否引用了外部腳本，是否符合 CSP 規範，是否存在跨站點請求等。若是出現不符合規範的內容，XSSAuditor 會對該腳本或者下載任務進行攔截。

首次解析HTML時渲染進程會開啓一個預解析線程，遇到HTML文檔中內嵌的JavaScript和CSS外部引用就會同步提早下載這些文件，下載時間以最後下載完的文件爲準。

6.構建CSSOM

• 1四、CSS解析器將CSS轉換爲瀏覽器能識別的styleSheets也就是CSSOM：能夠經過控制檯輸入document.styleSheets查看；

  這裏要考慮一下阻塞的問題，因爲JavaScript有修改CSS和HTML的能力，因此，須要先等到 CSS 文件下載完成並生成 CSSOM，而後再執行 JavaScript 腳本，最後再繼續構建 DOM。因爲這種阻塞，致使了解析白屏；

優化方案：

• 移除js和css的文件下載：經過內聯 JavaScript、內聯 CSS；
• 儘可能減小文件大小：如經過 webpack 等工具移除沒必要要的註釋，並壓縮 js 文件；
• 將不進行DOM操做或CSS樣式修改的 JavaScript 標記上 sync 或者 defer異步引入；
• 使用媒體查詢屬性：將大的CSS文件拆分紅多個不一樣用途的 CSS 文件，只有在特定的場景下才會加載特定的 CSS 文件。

能夠經過瀏覽器調試工具的Network面板中的DOMContentLoaded查看最後生成DOM樹所需的時間；

7.樣式計算

• 1五、轉換樣式表中的屬性值，使其標準化。好比將em轉換爲px，color轉換爲rgb；
• 1六、計算DOM樹中每一個節點的具體樣式，這裏遵循CSS的繼承和層疊規則；能夠經過Chrome調試工具的Elements選項的Computed查看某一標籤的最終樣式；

8.佈局階段

• 1七、建立佈局樹，遍歷DOM樹中的全部節點，去掉全部隱藏的節點（好比head，添加了display:none的節點），只在佈局樹中保留可見的節點。

• 1八、計算佈局樹中節點的座標位置（較複雜，這裏不展開）；

9.分層

• 1九、對佈局樹進行分層，並生成分層樹（Layer Tree），能夠經過Chrome調試工具的Layer選項查看。分層樹中每個節點都直接或間接的屬於一個圖層（若是一個節點沒有對應的層，那麼這個節點就從屬於父節點的圖層）

10.圖層繪製

• 20、爲每一個圖層生成繪製列表（即繪製指令），並將其提交到合成線程。以上操做都是在渲染進程中的主線程中進行的，提交到合成線程後就不阻塞主線程了；

渲染進程中的合成線程部分

11.切分圖塊

2一、合成線程將圖層切分紅大小固定的圖塊（256x256或者512x512）而後優先繪製靠近視口的圖塊，這樣就能夠大大加速頁面的顯示速度；

Ⅳ.GPU進程

12.柵格化操做

• 2二、在光柵化線程池中將圖塊轉換成位圖，一般這個過程都會使用GPU來加速生成，使用GPU生成位圖的過程叫快速柵格化，或者GPU柵格化，生成的位圖被保存在GPU內存中。

Ⅴ.瀏覽器主進程

13.合成與顯示

• 2三、合成：一旦全部圖塊都被光柵化，合成線程就會將它們合成爲一張圖片，並生成一個繪製圖塊的命令——「DrawQuad」，而後將該命令提交給瀏覽器進程。

注意了：合成的過程是在渲染進程的合成線程中完成的，不會影響到渲染進程的主線程執行；

• 2四、顯示：瀏覽器進程裏面有一個叫viz的組件，用來接收合成線程發過來的DrawQuad命令，而後根據DrawQuad命令，將其頁面內容繪製到內存中，最後再將內存顯示在屏幕上。

到這裏，通過這一系列的階段，編寫好的HTML、CSS、JavaScript等文件，通過瀏覽器就會顯示出漂亮的頁面了。

參考資料：瀏覽器工做原理與實踐