渲染流程(上):HTML、CSS和JavaScript是如何变成页面的

在上一篇文章中我们介绍了导航相关的流程,那导航被提交后又会怎么样呢?就进入了渲染阶段。这个阶段很重要,了解其相关流程能让你“看透”页面是如何工作的,有了这些知识,你可以解决一系列相关的问题,比如能熟练使用开发者工具,因为能够理解开发者工具里面大部分项目的含义,能优化页面卡顿问题,使用JavaScript优化动画流程,通过优化样式表来防止强制同步布局,等等。

既然它的功能这么强大,那么今天,我们就来好好聊聊渲染流程。

通常,我们编写好HTML、CSS、JavaScript等文件,经过浏览器就会显示出漂亮的页面(如下图所示),但是你知道它们是如何转化成页面的吗?这背后的原理,估计很多人都答不上来。

从图中可以看出,左边输入的是HTML、CSS、JavaScript数据,这些数据经过中间渲染模块的处理,最终输出为屏幕上的像素。

这中间的渲染模块就是我们今天要讨论的主题。为了能更好地理解下文,你可以先结合下图快速抓住HTML、CSS和JavaScript的含义:

从上图可以看出,HTML的内容是由标记和文本组成。标记也称为标签,每个标签都有它自己的语意,浏览器会根据标签的语意来正确展示HTML内容。比如上面的<p>标签是告诉浏览器在这里的内容需要创建一个新段落,中间的文本就是段落中需要显示的内容

如果需要改变HTML的字体颜色、大小等信息,就需要用到CSS。CSS又称为层叠样式表,是由选择器和属性组成,比如图中的p选择器,它会把HTML里面<p>标签的内容选择出来,然后再把选择器的属性值应用到<p>标签内容上。选择器里面有个color属性,它的值是red,这是告诉渲染引擎把<p>标签的内容显示为红色

至于JavaScript(简称为JS),使用它可以使网页的内容“动”起来,比如上图中,可以通过JavaScript来修改CSS样式值,从而达到修改文本颜色的目的。

搞清楚HTML、CSS和JavaScript的含义后,那么接下来我们就正式开始分析渲染模块了。

由于渲染机制过于复杂,所以渲染模块在执行过程中会被划分为很多子阶段,输入的HTML经过这些子阶段,最后输出像素。我们把这样的一个处理流程叫做渲染流水线,其大致流程如下图所示:

按照渲染的时间顺序,流水线可分为如下几个子阶段:构建DOM树、样式计算、布局阶段、分层、绘制、分块、光栅化和合成。内容比较多,我会用两篇文章来为你详细讲解这各个子阶段。接下来,在介绍每个阶段的过程中,你应该重点关注以下三点内容

  • 开始每个子阶段都有其输入的内容;
  • 然后每个子阶段有其处理过程;
  • 最终每个子阶段会生成输出内容。

理解了这三部分内容,能让你更加清晰地理解每个子阶段。

构建DOM树

为什么要构建DOM树呢?这是因为浏览器无法直接理解和使用HTML,所以需要将HTML转换为浏览器能够理解的结构——DOM树。

这里我们还需要简单介绍下什么是树结构,为了更直观地理解,你可以参考下面我画的几个树结构:

从图中可以看出,树这种结构非常像我们现实生活中的“树”,其中每个点我们称为节点,相连的节点称为父子节点。树结构在浏览器中的应用还是比较多的,比如下面我们要介绍的渲染流程,就在频繁地使用树结构。

接下来咱们还是言归正传,来看看DOM树的构建过程,你可以参考下图

从图中可以看出,构建DOM树的输入内容是一个非常简单的HTML文件,然后经由HTML解析器解析,最终输出树状结构的DOM。

为了更加直观地理解DOM树,你可以打开Chrome的“开发者工具”,选择“Console”标签来打开控制台,然后在控制台里面输入“document”后回车,这样你就能看到一个完整的DOM树结构,如下图所示:

图中的document就是DOM结构,你可以看到,DOM和HTML内容几乎是一样的,但是和HTML不同的是,DOM是保存在内存中树状结构,可以通过JavaScript来查询或修改其内容。

那下面就来看看如何通过JavaScript来修改DOM的内容,在控制台中输入:

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document.getElementsByTagName("p")[0].innerText = "black"

这行代码的作用是把第一个<p>标签的内容修改为black,具体执行结果你可以参考下图:

从图中可以看出,在执行了一段修改第一个<p>标签的JavaScript代码后,DOM的第一个p节点的内容成功被修改,同时页面中的内容也被修改了

好了,现在我们已经生成DOM树了,但是DOM节点的样式我们依然不知道,要让DOM节点拥有正确的样式,这就需要样式计算了

样式计算

样式计算的目的是为了计算出DOM节点中每个元素的具体样式,这个阶段大体可分为三步来完成

1. 把CSS转换为浏览器能够理解的结构

那CSS样式的来源主要有哪些呢?你可以先参考下图:

从图中可以看出,CSS样式来源主要有三种:

  • 通过link引用的外部CSS文件

  • <style>标记内的 CSS

  • 元素的style属性内嵌的CSS

  • 和HTML文件一样,浏览器也是无法直接理解这些纯文本的CSS样式,所以当渲染引擎接收到CSS文本时,会执行一个转换操作,将CSS文本转换为浏览器可以理解的结构——styleSheets。

  • 为了加深理解,你可以在Chrome控制台中查看其结构,只需要在控制台中输入document.styleSheets,然后就看到如下图所示的结构

从图中可以看出,这个样式表包含了很多种样式,已经把那三种来源的样式都包含进去了。当然样式表的具体结构不是我们今天讨论的重点,你只需要知道渲染引擎会把获取到的CSS文本全部转换为styleSheets结构中的数据,并且该结构同时具备了查询和修改功能,这会为后面的样式操作提供基础

2. 转换样式表中的属性值,使其标准化

现在我们已经把现有的CSS文本转化为浏览器可以理解的结构了,那么接下来就要对其进行属性值的标准化操作。

要理解什么是属性值标准化,你可以看下面这样一段CSS文本

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body { font-size: 2em }
p {color:blue;}
span {display: none}
div {font-weight: bold}
div p {color:green;}
div {color:red; }

可以看到上面的CSS文本中有很多属性值,如2em、blue、bold,这些类型数值不容易被渲染引擎理解,所以需要将所有值转换为渲染引擎容易理解的、标准化的计算值,这个过程就是属性值标准化。

那标准化后的属性值是什么样子的?

从图中可以看到,2em被解析成了32px,red被解析成了rgb(255,0,0),bold被解析成了700……

3. 计算出DOM树中每个节点的具体样式

现在样式的属性已被标准化了,接下来就需要计算DOM树中每个节点的样式属性了,如何计算呢?

这就涉及到CSS的继承规则和层叠规则了。

首先是CSS继承。CSS继承就是每个DOM节点都包含有父节点的样式。这么说可能有点抽象,我们可以结合具体例子,看下面这样一张样式表是如何应用到DOM节点上的

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body { font-size: 20px }
p {color:blue;}
span {display: none}
div {font-weight: bold;color:red}
div p {color:green;}

这张样式表最终应用到DOM节点的效果如下图所示:

从图中可以看出,所有子节点都继承了父节点样式。比如body节点的font-size属性是20,那body节点下面的所有节点的font-size都等于20。

为了加深你对CSS继承的理解,你可以打开Chrome的“开发者工具”,选择第一个“element”标签,再选择“style”子标签,你会看到如下界面

这个界面展示的信息很丰富,大致可描述为如下

  • 首先,可以选择要查看的元素的样式(位于图中的区域2中),在图中的第1个区域中点击对应的元素元素,就可以了下面的区域查看该元素的样式了。比如这里我们选择的元素是<p>标签,位于html.body.div.这个路径下面
  • 其次,可以从样式来源(位于图中的区域3中)中查看样式的具体来源信息,看看是来源于样式文件,还是来源于UserAgent样式表。这里需要特别提下UserAgent样式,它是浏览器提供的一组默认样式,如果你不提供任何样式,默认使用的就是UserAgent样式。
  • 最后,可以通过区域2和区域3来查看样式继承的具体过程。

以上就是CSS继承的一些特性,样式计算过程中,会根据DOM节点的继承关系来合理计算节点样式。

样式计算过程中的第二个规则是样式层叠。层叠是CSS的一个基本特征,它是一个定义了如何合并来自多个源的属性值的算法。它在CSS处于核心地位,CSS的全称“层叠样式表”正是强调了这一点。关于层叠的具体规则这里就不做过多介绍了,网上资料也非常多,你可以自行搜索学习

总之,样式计算阶段的目的是为了计算出DOM节点中每个元素的具体样式,在计算过程中需要遵守CSS的继承和层叠两个规则。这个阶段最终输出的内容是每个DOM节点的样式,并被保存在ComputedStyle的结构内。

如果你想了解每个DOM元素最终的计算样式,可以打开Chrome的“开发者工具”,选择第一个“element”标签,然后再选择“Computed”子标签,如下图所示:

上图红色方框中显示了html.body.div.p标签的ComputedStyle的值。你想要查看哪个元素,点击左边对应的标签就可以了

布局阶段

现在,我们有DOM树和DOM树中元素的样式,但这还不足以显示页面,因为我们还不知道DOM元素的几何位置信息。那么接下来就需要计算出DOM树中可见元素的几何位置,我们把这个计算过程叫做布局。

Chrome在布局阶段需要完成两个任务:创建布局树和布局计算

1. 创建布局树

你可能注意到了DOM树还含有很多不可见的元素,比如head标签,还有使用了display:none属性的元素。所以在显示之前,我们还要额外地构建一棵只包含可见元素布局树。

我们结合下图来看看布局树的构造过程:

从上图可以看出,DOM树中所有不可见的节点都没有包含到布局树中。

为了构建布局树,浏览器大体上完成了下面这些工作

  • 遍历DOM树中的所有可见节点,并把这些节点加到布局中;
  • 而不可见的节点会被布局树忽略掉,如head标签下面的全部内容,再比如body.p.span这个元素,因为它的属性包含 dispaly:none,所以这个元素也没有被包进布局树

2. 布局计算

现在我们有了一棵完整的布局树。那么接下来,就要计算布局树节点的坐标位置了。布局的计算过程非常复杂,我们这里先跳过不讲,等到后面章节中我再做详细的介绍。

在执行布局操作的时候,会把布局运算的结果重新写回布局树中,所以布局树既是输入内容也是输出内容,这是布局阶段一个不合理的地方,因为在布局阶段并没有清晰地将输入内容和输出内容区分开来。针对这个问题,Chrome团队正在重构布局代码,下一代布局系统叫LayoutNG,试图更清晰地分离输入和输出,从而让新设计的布局算法更加简单。

总结

好了,今天正文就到这里,我画了下面这张比较完整的渲染流水线,你可以结合这张图来回顾下今天的内容。

从图中可以看出,本节内容我们介绍了渲染流程的前三个阶段:DOM生成、样式计算和布局。要点可大致总结为如下:

  • 浏览器不能直接理解HTML数据,所以第一步需要将其转换为浏览器能够理解的DOM树结构;
  • 生成DOM树后,还需要根据CSS样式表,来计算出DOM树所有节点的样式;
  • 最后计算DOM元素的布局信息,使其都保存在布局树中。

渲染流程(上):HTML、CSS和JavaScript是如何变成页面的

https://blog.matoapp.net/posts/95468eea/

作者

李兵 - 浏览器工作原理与实践

发布于

2019-10-29

更新于

2024-09-11

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