一文摸透从输入URL到页面渲染的过程

一文摸透从输入URL到页面渲染的过程

从输入URL到页面渲染须要Chrome浏览器的多个进程配合，因此咱们先来谈谈现阶段Chrome浏览器的多进程架构。

1、Chrome架构

目前Chrome采用的是多进程的架构模式，可分为主要的五类进程，分别是：浏览器（Browser）主进程、 GPU 进程、网络（NetWork）进程、多个渲染进程和多个插件进程；

• 浏览器进程。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 转换为用户能够与之交互的网页，排版引擎Blink和JavaScript引擎V8都是运行在该进程中，默认状况下，Chrome会为每一个Tab标签建立一个渲染进程。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成为浏览器广泛的需求。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，以前是做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，因此须要经过插件进程来隔离，以保证插件进程崩溃不会对浏览器和页面形成影响

了解了Chrome的多进程架构，就可以从宏观上理解从输入URL到页面渲染的过程了，这个过程主要分为导航阶段和渲染阶段。

2、导航阶段

Ⅰ.浏览器主进程

1.用户输入URL

• 一、浏览器进程检查url，组装协议，构成完整的url，这时候有两种状况：
  • 输入的是搜索内容：地址栏会使用浏览器默认的搜索引擎，来合成新的带搜索关键字的URL。
  • 输入的是请求URL：地址栏会根据规则，给这段内容加上协议，合成为完整的URL；
• 二、浏览器进程经过进程间通讯（IPC）把url请求发送给网络进程；

Ⅱ.网络进程

2.URL请求过程

• 三、网络进程接收到url请求后检查本地缓存是否缓存了该请求资源，若是有则将该资源返回给浏览器进程；

这里涉及到浏览器与HTTP协议的缓存策略问题，有兴趣的能够看这篇文章：详解HTTP协议

• 四、准备IP地址和端口：进行DNS解析时先查找缓存，没有再使用DNS服务器解析，查找顺序为：

  • 浏览器缓存；
  • 本机缓存；
  • hosts文件；
  • 路由器缓存；
  • ISP DNS缓存；
  • DNS递归查询（本地DNS服务器 -> 权限DNS服务器 -> 顶级DNS服务器 -> 13台根DNS服务器）

• 五、等待TCP队列：浏览器会为每一个域名最多维护6个TCP链接，若是发起一个HTTP请求时，这 6个 TCP链接都处于忙碌状态，那么这个请求就会处于排队状态；解决方案：

  • 采用域名分片技术：将一个站点的资源放在多个（CDN）域名下面。
  • 升级为HTTP2，就没有6个TCP链接的限制了；

• 六、经过三次握手创建TCP链接：

  • 第一次：客户端先向服务器端发送一个同步数据包，报文的TCP首部中：标志位：同步SYN为1，表示这是一个请求创建链接的数据包；序号Seq=x，x为所传送数据的第一个字节的序号，随后进入SYN-SENT状态；

  标志位值为1表示该标志位有效。

  • 第二次：服务器根据收到数据包的SYN标志位判断为创建链接的请求，随后返回一个确认数据包，其中标志位SYN=1，ACK=1，序号seq=y，确认号ack=x + 1表示收到了客户端传输过来的x字节数据，并但愿下次从x+1个字节开始传，并进入SYN-RCVD状态；

  这里要区分标志位ACK和确认号ack；

  • 第三次：客户端收到后，再给服务器发送一个确认数据包，标志位ACK=1，序号seq=x+1，确认号ack=y+1，随后进入ESTABLISHED状态；

  服务器端收到后，也进入ESTABLISHED状态，由此成功创建了TCP链接，能够开始数据传送；

  • 为何要第三次挥手？避免服务器等待形成资源浪费，具体缘由：

  若是没有最后一个数据包确认（第三次握手），A先发出一个创建链接的请求数据包，因为网络缘由绕远路了。A通过设定的超时时间后还未收到B的确认数据包。

  因而发出第二个创建链接的请求数据包，此次网路通畅，B的确认数据包也很快就到达A。因而A与B开始传输数据；

  过了一会A第一次发出的创建链接的请求数据包到达了B，B觉得是再次创建链接，因此又发出一个确认数据包。因为A已经收到了一个确认数据包，因此会忽略B发来的第二个确认数据包，可是B发出确认数据包以后就要一直等待A的回复，而A永远也不会回复。

  由此形成服务器资源浪费，这种状况多了B计算机可能就中止响应了。

• 七、构建并发送HTTP请求信息；

• 八、服务器端处理请求；

• 九、客户端处理响应，首先检查服务器响应报文的状态码：

  • 若是是301/302表示服务器已更换域名须要重定向，这时网络进程会从响应头的Location字段里面读取重定向的地址，而后再发起新的HTTP或者HTTPS请求，跳回第4步。
  • 若是是200，就检查Content-Type字段，值为text/html说明是HTML文档，是application/octet-stream说明是文件下载；

• 十、请求结束，当通用首部字段Conection不是Keep-Alive时，即不为TCP长链接时，经过四次挥手断开TCP链接：

• 第一次：客户端（主动断开链接）发送数据包给服务器，其中标志位FIN=1，序号位seq=u，并中止发送数据；
• 第二次：服务器收到数据包后，因为还需传输数据，没法当即关闭链接，先返回一个标志位ACK=1，序号seq=v，确认号ack=u+1的数据包；
• 第三次：服务器准备好断开链接后，返回一个数据包，其中标志位FIN=1，标志位ACK=1，序号seq=w，确认号ack=u+1；
• 第四次：客户端收到数据包后，返回一个标志位ACK=1，序号seq=u+1，确认号ack=w+1的数据包。

由此经过四次挥手断开TCP链接。

详细过程参见：详解TCP链接的“三次握手”与“四次挥手”(上)

• 为何要四次挥手？因为服务器不能立刻断开链接，致使FIN释放链接报文与ACK确认接收报文须要分两次传输，即第二次和第三次"挥手"；

3.准备渲染进程

• 十一、准备渲染进程：浏览器进程检查当前url是否与以前打开了渲染进程的页面的根域名相同，若是相同，则复用原来的进程，若是不一样，则开启新的渲染进程；

4.提交文档

• 十二、提交文档：
  • 渲染进程准备好后，浏览器向渲染进程发起“提交文档”的消息，渲染进程接收到消息后与网络进程创建传输数据的“管道”
  • 渲染进程接收完数据后，向浏览器发送“确认提交”
  • 浏览器进程接收到确认消息后更新浏览器界面状态：安全状态、地址栏url、前进后退的历史状态、更新web页面

3、渲染阶段

在渲染阶段经过渲染流水线在渲染进程的主线程和合成线程配合下，完成页面的渲染；

Ⅲ.渲染进程

渲染进程中的主线程部分

5.构建DOM树

• 1三、先将请求回来的数据解压，随后HTML解析器将其中的HTML字节流经过分词器拆分为一个个Token，而后生成节点Node，最后解析成浏览器识别的DOM树结构。

  能够经过Chrome调试工具的Console选项打开控制台输入document查看DOM树；

渲染引擎还有一个安全检查模块叫 XSSAuditor，是用来检测词法安全的。在分词器解析出来 Token 以后，它会检测这些模块是否安全，好比是否引用了外部脚本，是否符合 CSP 规范，是否存在跨站点请求等。若是出现不符合规范的内容，XSSAuditor 会对该脚本或者下载任务进行拦截。

首次解析HTML时渲染进程会开启一个预解析线程，遇到HTML文档中内嵌的JavaScript和CSS外部引用就会同步提早下载这些文件，下载时间以最后下载完的文件为准。

6.构建CSSOM

• 1四、CSS解析器将CSS转换为浏览器能识别的styleSheets也就是CSSOM：能够经过控制台输入document.styleSheets查看；

  这里要考虑一下阻塞的问题，因为JavaScript有修改CSS和HTML的能力，因此，须要先等到 CSS 文件下载完成并生成 CSSOM，而后再执行 JavaScript 脚本，最后再继续构建 DOM。因为这种阻塞，致使了解析白屏；

优化方案：

• 移除js和css的文件下载：经过内联 JavaScript、内联 CSS；
• 尽可能减小文件大小：如经过 webpack 等工具移除没必要要的注释，并压缩 js 文件；
• 将不进行DOM操做或CSS样式修改的 JavaScript 标记上 sync 或者 defer异步引入；
• 使用媒体查询属性：将大的CSS文件拆分红多个不一样用途的 CSS 文件，只有在特定的场景下才会加载特定的 CSS 文件。

能够经过浏览器调试工具的Network面板中的DOMContentLoaded查看最后生成DOM树所需的时间；

7.样式计算

• 1五、转换样式表中的属性值，使其标准化。好比将em转换为px，color转换为rgb；
• 1六、计算DOM树中每一个节点的具体样式，这里遵循CSS的继承和层叠规则；能够经过Chrome调试工具的Elements选项的Computed查看某一标签的最终样式；

8.布局阶段

• 1七、建立布局树，遍历DOM树中的全部节点，去掉全部隐藏的节点（好比head，添加了display:none的节点），只在布局树中保留可见的节点。

• 1八、计算布局树中节点的坐标位置（较复杂，这里不展开）；

9.分层

• 1九、对布局树进行分层，并生成分层树（Layer Tree），能够经过Chrome调试工具的Layer选项查看。分层树中每个节点都直接或间接的属于一个图层（若是一个节点没有对应的层，那么这个节点就从属于父节点的图层）

10.图层绘制

• 20、为每一个图层生成绘制列表（即绘制指令），并将其提交到合成线程。以上操做都是在渲染进程中的主线程中进行的，提交到合成线程后就不阻塞主线程了；

渲染进程中的合成线程部分

11.切分图块

2一、合成线程将图层切分红大小固定的图块（256x256或者512x512）而后优先绘制靠近视口的图块，这样就能够大大加速页面的显示速度；

Ⅳ.GPU进程

12.栅格化操做

• 2二、在光栅化线程池中将图块转换成位图，一般这个过程都会使用GPU来加速生成，使用GPU生成位图的过程叫快速栅格化，或者GPU栅格化，生成的位图被保存在GPU内存中。

Ⅴ.浏览器主进程

13.合成与显示

• 2三、合成：一旦全部图块都被光栅化，合成线程就会将它们合成为一张图片，并生成一个绘制图块的命令——“DrawQuad”，而后将该命令提交给浏览器进程。

注意了：合成的过程是在渲染进程的合成线程中完成的，不会影响到渲染进程的主线程执行；

• 2四、显示：浏览器进程里面有一个叫viz的组件，用来接收合成线程发过来的DrawQuad命令，而后根据DrawQuad命令，将其页面内容绘制到内存中，最后再将内存显示在屏幕上。

到这里，通过这一系列的阶段，编写好的HTML、CSS、JavaScript等文件，通过浏览器就会显示出漂亮的页面了。

参考资料：浏览器工做原理与实践