一文摸透從輸入URL到頁面渲染的過程

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從輸入URL到頁面渲染需要Chrome瀏覽器的多個進(jìn)程配合，所以我們先來談?wù)劕F(xiàn)階段Chrome瀏覽器的多進(jìn)程架構(gòu)。

一、Chrome架構(gòu)

目前Chrome采用的是多進(jìn)程的架構(gòu)模式，可分為主要的五類進(jìn)程，分別是：瀏覽器（Browser）主進(jìn)程、 GPU 進(jìn)程、網(wǎng)絡(luò)（NetWork）進(jìn)程、多個渲染進(jìn)程和多個插件進(jìn)程；

• 瀏覽器進(jìn)程。主要負(fù)責(zé)界面顯示、用戶交互、子進(jìn)程管理，同時提供存儲等功能。
• 渲染進(jìn)程。核心任務(wù)是將 HTML、CSS 和 JavaScript 轉(zhuǎn)換為用戶可以與之交互的網(wǎng)頁，排版引擎Blink和JavaScript引擎V8都是運行在該進(jìn)程中，默認(rèn)情況下，Chrome會為每個Tab標(biāo)簽創(chuàng)建一個渲染進(jìn)程。出于安全考慮，渲染進(jìn)程都是運行在沙箱模式下。
• GPU進(jìn)程。其實，Chrome剛開始發(fā)布的時候是沒有GPU進(jìn)程的。而GPU的使用初衷是為了實現(xiàn)3D CSS的效果，只是隨后網(wǎng)頁、Chrome的UI界面都選擇采用GPU來繪制，這使得GPU成為瀏覽器普遍的需求。最后，Chrome在其多進(jìn)程架構(gòu)上也引入了GPU進(jìn)程。
• 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程。主要負(fù)責(zé)頁面的網(wǎng)絡(luò)資源加載，之前是作為一個模塊運行在瀏覽器進(jìn)程里面的，直至最近才獨立出來，成為一個單獨的進(jìn)程。
• 插件進(jìn)程。主要是負(fù)責(zé)插件的運行，因插件易崩潰，所以需要通過插件進(jìn)程來隔離，以保證插件進(jìn)程崩潰不會對瀏覽器和頁面造成影響

了解了Chrome的多進(jìn)程架構(gòu)，就能夠從宏觀上理解從輸入URL到頁面渲染的過程了，這個過程主要分為導(dǎo)航階段和渲染階段。

二、導(dǎo)航階段

Ⅰ.瀏覽器主進(jìn)程

1.用戶輸入URL

• 1、瀏覽器進(jìn)程檢查url，組裝協(xié)議，構(gòu)成完整的url，這時候有兩種情況：
• 輸入的是搜索內(nèi)容：地址欄會使用瀏覽器默認(rèn)的搜索引擎，來合成新的帶搜索關(guān)鍵字的URL。
• 輸入的是請求URL：地址欄會根據(jù)規(guī)則，給這段內(nèi)容加上協(xié)議，合成為完整的URL；
• 2、瀏覽器進(jìn)程通過進(jìn)程間通信（IPC）把url請求發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程；

Ⅱ.網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程

2.URL請求過程

• 3、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程接收到url請求后檢查本地緩存是否緩存了該請求資源，如果有則將該資源返回給瀏覽器進(jìn)程；

這里涉及到瀏覽器與HTTP協(xié)議的緩存策略問題，有興趣的可以看這篇文章：詳解HTTP協(xié)議

• 4、準(zhǔn)備IP地址和端口：進(jìn)行DNS解析時先查找緩存，沒有再使用DNS服務(wù)器解析，查找順序為：
• 瀏覽器緩存；
• 本機(jī)緩存；
• hosts文件；
• 路由器緩存；
• ISP DNS緩存；
• DNS遞歸查詢（本地DNS服務(wù)器 -> 權(quán)限D(zhuǎn)NS服務(wù)器 -> 頂級DNS服務(wù)器 ->?13臺根DNS服務(wù)器）
• 5、等待TCP隊列：瀏覽器會為每個域名最多維護(hù)6個TCP連接，如果發(fā)起一個HTTP請求時，這 6個 TCP連接都處于忙碌狀態(tài)，那么這個請求就會處于排隊狀態(tài)；解決方案：
采用域名分片技術(shù)：將一個站點的資源放在多個（CDN）域名下面。
升級為HTTP2，就沒有6個TCP連接的限制了；
6、通過三次握手建立TCP連接：


標(biāo)志位值為1表示該標(biāo)志位有效。

這里要區(qū)分標(biāo)志位ACK和確認(rèn)號ack；

服務(wù)器端收到后，也進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，由此成功建立了TCP連接，可以開始數(shù)據(jù)傳送；

如果沒有最后一個數(shù)據(jù)包確認(rèn)（第三次握手），A先發(fā)出一個建立連接的請求數(shù)據(jù)包，由于網(wǎng)絡(luò)原因繞遠(yuǎn)路了。A經(jīng)過設(shè)定的超時時間后還未收到B的確認(rèn)數(shù)據(jù)包。

于是發(fā)出第二個建立連接的請求數(shù)據(jù)包，這次網(wǎng)路通暢，B的確認(rèn)數(shù)據(jù)包也很快就到達(dá)A。于是A與B開始傳輸數(shù)據(jù)；

過了一會A第一次發(fā)出的建立連接的請求數(shù)據(jù)包到達(dá)了B，B以為是再次建立連接，所以又發(fā)出一個確認(rèn)數(shù)據(jù)包。由于A已經(jīng)收到了一個確認(rèn)數(shù)據(jù)包，所以會忽略B發(fā)來的第二個確認(rèn)數(shù)據(jù)包，但是B發(fā)出確認(rèn)數(shù)據(jù)包之后就要一直等待A的回復(fù)，而A永遠(yuǎn)也不會回復(fù)。

由此造成服務(wù)器資源浪費，這種情況多了B計算機(jī)可能就停止響應(yīng)了。

• 為什么要第三次揮手？避免服務(wù)器等待造成資源浪費，具體原因：
• 第三次：客戶端收到后，再給服務(wù)器發(fā)送一個確認(rèn)數(shù)據(jù)包，標(biāo)志位ACK=1，序號seq=x+1，確認(rèn)號ack=y+1，隨后進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)；
• 第二次：服務(wù)器根據(jù)收到數(shù)據(jù)包的SYN標(biāo)志位判斷為建立連接的請求，隨后返回一個確認(rèn)數(shù)據(jù)包，其中標(biāo)志位SYN=1，ACK=1，序號seq=y，確認(rèn)號ack=x + 1表示收到了客戶端傳輸過來的x字節(jié)數(shù)據(jù)，并希望下次從x+1個字節(jié)開始傳，并進(jìn)入SYN-RCVD狀態(tài)；
• 第一次：客戶端先向服務(wù)器端發(fā)送一個同步數(shù)據(jù)包，報文的TCP首部中：標(biāo)志位：同步SYN為1，表示這是一個請求建立連接的數(shù)據(jù)包；序號Seq=x，x為所傳送數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)的序號，隨后進(jìn)入SYN-SENT狀態(tài)；
• 7、構(gòu)建并發(fā)送HTTP請求信息；
• 8、服務(wù)器端處理請求；
• 9、客戶端處理響應(yīng)，首先檢查服務(wù)器響應(yīng)報文的狀態(tài)碼：
• 如果是301/302表示服務(wù)器已更換域名需要重定向，這時網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程會從響應(yīng)頭的Location字段里面讀取重定向的地址，然后再發(fā)起新的HTTP或者HTTPS請求，跳回第4步。
• 如果是200，就檢查Content-Type字段，值為text/html說明是HTML文檔，是application/octet-stream說明是文件下載；

• 10、請求結(jié)束，當(dāng)通用首部字段Conection不是Keep-Alive時，即不為TCP長連接時，通過四次揮手?jǐn)嚅_TCP連接：

• 第一次：客戶端（主動斷開連接）發(fā)送數(shù)據(jù)包給服務(wù)器，其中標(biāo)志位FIN=1，序號位seq=u，并停止發(fā)送數(shù)據(jù)；
• 第二次：服務(wù)器收到數(shù)據(jù)包后，由于還需傳輸數(shù)據(jù)，無法立即關(guān)閉連接，先返回一個標(biāo)志位ACK=1，序號seq=v，確認(rèn)號ack=u+1的數(shù)據(jù)包；
• 第三次：服務(wù)器準(zhǔn)備好斷開連接后，返回一個數(shù)據(jù)包，其中標(biāo)志位FIN=1，標(biāo)志位ACK=1，序號seq=w，確認(rèn)號ack=u+1；
• 第四次：客戶端收到數(shù)據(jù)包后，返回一個標(biāo)志位ACK=1，序號seq=u+1，確認(rèn)號ack=w+1的數(shù)據(jù)包。

由此通過四次揮手?jǐn)嚅_TCP連接。

詳細(xì)過程參見：詳解TCP連接的“三次握手”與“四次揮手”(上)

• 為什么要四次揮手？由于服務(wù)器不能馬上斷開連接，導(dǎo)致FIN釋放連接報文與ACK確認(rèn)接收報文需要分兩次傳輸，即第二次和第三次"揮手"；

3.準(zhǔn)備渲染進(jìn)程

• 11、準(zhǔn)備渲染進(jìn)程：瀏覽器進(jìn)程檢查當(dāng)前url是否與之前打開了渲染進(jìn)程的頁面的根域名相同，如果相同，則復(fù)用原來的進(jìn)程，如果不同，則開啟新的渲染進(jìn)程；

4.提交文檔

• 12、提交文檔：
• 渲染進(jìn)程準(zhǔn)備好后，瀏覽器向渲染進(jìn)程發(fā)起“提交文檔”的消息，渲染進(jìn)程接收到消息后與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程建立傳輸數(shù)據(jù)的“管道”
• 渲染進(jìn)程接收完數(shù)據(jù)后，向瀏覽器發(fā)送“確認(rèn)提交”
• 瀏覽器進(jìn)程接收到確認(rèn)消息后更新瀏覽器界面狀態(tài)：安全狀態(tài)、地址欄url、前進(jìn)后退的歷史狀態(tài)、更新web頁面

三、渲染階段

在渲染階段通過渲染流水線在渲染進(jìn)程的主線程和合成線程配合下，完成頁面的渲染；

Ⅲ.渲染進(jìn)程

渲染進(jìn)程中的主線程部分

5.構(gòu)建DOM樹

• 13、先將請求回來的數(shù)據(jù)解壓，隨后HTML解析器將其中的HTML字節(jié)流通過分詞器拆分為一個個Token，然后生成節(jié)點Node，最后解析成瀏覽器識別的DOM樹結(jié)構(gòu)。
  可以通過Chrome調(diào)試工具的Console選項打開控制臺輸入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 之后，它會檢測這些模塊是否安全，比如是否引用了外部腳本，是否符合 CSP 規(guī)范，是否存在跨站點請求等。如果出現(xiàn)不符合規(guī)范的內(nèi)容，XSSAuditor 會對該腳本或者下載任務(wù)進(jìn)行攔截。

首次解析HTML時渲染進(jìn)程會開啟一個預(yù)解析線程，遇到HTML文檔中內(nèi)嵌的JavaScript和CSS外部引用就會同步提前下載這些文件，下載時間以最后下載完的文件為準(zhǔn)。

6.構(gòu)建CSSOM

• 14、CSS解析器將CSS轉(zhuǎn)換為瀏覽器能識別的styleSheets也就是CSSOM：可以通過控制臺輸入document.styleSheets查看；
  這里要考慮一下阻塞的問題，由于JavaScript有修改CSS和HTML的能力，所以，需要先等到 CSS 文件下載完成并生成 CSSOM，然后再執(zhí)行 JavaScript 腳本，最后再繼續(xù)構(gòu)建 DOM。由于這種阻塞，導(dǎo)致了解析白屏；

優(yōu)化方案：

• 移除js和css的文件下載：通過內(nèi)聯(lián) JavaScript、內(nèi)聯(lián) CSS；
• 盡量減少文件大小：如通過 webpack 等工具移除不必要的注釋，并壓縮 js 文件；
• 將不進(jìn)行DOM操作或CSS樣式修改的 JavaScript 標(biāo)記上 sync 或者 defer異步引入；
• 使用媒體查詢屬性：將大的CSS文件拆分成多個不同用途的 CSS 文件，只有在特定的場景下才會加載特定的 CSS 文件。

可以通過瀏覽器調(diào)試工具的Network面板中的DOMContentLoaded查看最后生成DOM樹所需的時間；

7.樣式計算

• 15、轉(zhuǎn)換樣式表中的屬性值，使其標(biāo)準(zhǔn)化。比如將em轉(zhuǎn)換為px，color轉(zhuǎn)換為rgb；
• 16、計算DOM樹中每個節(jié)點的具體樣式，這里遵循CSS的繼承和層疊規(guī)則；可以通過Chrome調(diào)試工具的Elements選項的Computed查看某一標(biāo)簽的最終樣式；

8.布局階段

• 17、創(chuàng)建布局樹，遍歷DOM樹中的所有節(jié)點，去掉所有隱藏的節(jié)點（比如head，添加了display:none的節(jié)點），只在布局樹中保留可見的節(jié)點。
• 18、計算布局樹中節(jié)點的坐標(biāo)位置（較復(fù)雜，這里不展開）；

9.分層

• 19、對布局樹進(jìn)行分層，并生成分層樹（Layer Tree），可以通過Chrome調(diào)試工具的Layer選項查看。分層樹中每一個節(jié)點都直接或間接的屬于一個圖層（如果一個節(jié)點沒有對應(yīng)的層，那么這個節(jié)點就從屬于父節(jié)點的圖層）

10.圖層繪制

• 20、為每個圖層生成繪制列表（即繪制指令），并將其提交到合成線程。以上操作都是在渲染進(jìn)程中的主線程中進(jìn)行的，提交到合成線程后就不阻塞主線程了；

渲染進(jìn)程中的合成線程部分

11.切分圖塊

21、合成線程將圖層切分成大小固定的圖塊（256x256或者512x512）然后優(yōu)先繪制靠近視口的圖塊，這樣就可以大大加速頁面的顯示速度；

Ⅳ.GPU進(jìn)程

12.柵格化操作

• 22、在光柵化線程池中將圖塊轉(zhuǎn)換成位圖，通常這個過程都會使用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(nèi)存中。

Ⅴ.瀏覽器主進(jìn)程

13.合成與顯示

• 23、合成：一旦所有圖塊都被光柵化，合成線程就會將它們合成為一張圖片，并生成一個繪制圖塊的命令——“DrawQuad”，然后將該命令提交給瀏覽器進(jìn)程。

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

• 24、顯示：瀏覽器進(jìn)程里面有一個叫viz的組件，用來接收合成線程發(fā)過來的DrawQuad命令，然后根據(jù)DrawQuad命令，將其頁面內(nèi)容繪制到內(nèi)存中，最后再將內(nèi)存顯示在屏幕上。

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