一文摸透從輸入URL到頁面渲染的過程

從輸入URL到頁面渲染需要Chrome瀏覽器的多個進程配合，所以我們先來談談現階段Chrome瀏覽器的多進程架構。

一、Chrome架構

目前Chrome采用的是多進程的架構模式，可分為主要的五類進程，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 轉換為用戶可以與之交互的網頁，排版引擎Blink和JavaScript引擎V8都是運行在該進程中，默認情況下，Chrome會為每個Tab標簽創建一個渲染進程。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剛開始發布的時候是沒有GPU進程的。而GPU的使用初衷是為了實現3D CSS的效果，只是隨后網頁、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，之前是作為一個模塊運行在瀏覽器進程里面的，直至最近才獨立出來，成為一個單獨的進程。
• 插件進程。主要是負責插件的運行，因插件易崩潰，所以需要通過插件進程來隔離，以保證插件進程崩潰不會對瀏覽器和頁面造成影響

了解了Chrome的多進程架構，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航階段和渲染階段。

二、導航階段

Ⅰ.瀏覽器主進程

1.用戶輸入URL

• 1、瀏覽器進程檢查url，組裝協議，構成完整的url，這時候有兩種情況：
  • 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，合成為完整的URL；
• 2、瀏覽器進程通過進程間通信（IPC）把url請求發送給網絡進程；

Ⅱ.網絡進程

2.URL請求過程

• 3、網絡進程接收到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程；

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

• 4、准備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，查找順序為：

  • 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台根DNS服務器）

• 5、等待TCP隊列：瀏覽器會為每個域名最多維護6個TCP連接，如果發起一個HTTP請求時，這 6個 TCP連接都處於忙碌狀態，那么這個請求就會處於排隊狀態；解決方案：

  • 采用域名分片技術：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：

  

  • 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：標志位：同步SYN為1，表示這是一個請求建立連接的數據包；序號Seq=x，x為所傳送數據的第一個字節的序號，隨后進入SYN-SENT狀態；

  標志位值為1表示該標志位有效。

  • 第二次：服務器根據收到數據包的SYN標志位判斷為建立連接的請求，隨后返回一個確認數據包，其中標志位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，並希望下次從x+1個字節開始傳，並進入SYN-RCVD狀態；

  這里要區分標志位ACK和確認號ack；

  • 第三次：客戶端收到后，再給服務器發送一個確認數據包，標志位ACK=1，序號seq=x+1，確認號ack=y+1，隨后進入ESTABLISHED狀態；

  服務器端收到后，也進入ESTABLISHED狀態，由此成功建立了TCP連接，可以開始數據傳送；

  • 為什么要第三次揮手？避免服務器等待造成資源浪費，具體原因：

  如果沒有最后一個數據包確認（第三次握手），A先發出一個建立連接的請求數據包，由於網絡原因繞遠路了。A經過設定的超時時間后還未收到B的確認數據包。

  於是發出第二個建立連接的請求數據包，這次網路通暢，B的確認數據包也很快就到達A。於是A與B開始傳輸數據；

  過了一會A第一次發出的建立連接的請求數據包到達了B，B以為是再次建立連接，所以又發出一個確認數據包。由於A已經收到了一個確認數據包，所以會忽略B發來的第二個確認數據包，但是B發出確認數據包之后就要一直等待A的回復，而A永遠也不會回復。

  由此造成服務器資源浪費，這種情況多了B計算機可能就停止響應了。

• 7、構建並發送HTTP請求信息；

• 8、服務器端處理請求；

• 9、客戶端處理響應，首先檢查服務器響應報文的狀態碼：

  • 如果是301/302表示服務器已更換域名需要重定向，這時網絡進程會從響應頭的Location字段里面讀取重定向的地址，然后再發起新的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、請求結束，當通用首部字段Conection不是Keep-Alive時，即不為TCP長連接時，通過四次揮手斷開TCP連接：

• 第一次：客戶端（主動斷開連接）發送數據包給服務器，其中標志位FIN=1，序號位seq=u，並停止發送數據；
• 第二次：服務器收到數據包后，由於還需傳輸數據，無法立即關閉連接，先返回一個標志位ACK=1，序號seq=v，確認號ack=u+1的數據包；
• 第三次：服務器准備好斷開連接后，返回一個數據包，其中標志位FIN=1，標志位ACK=1，序號seq=w，確認號ack=u+1；
• 第四次：客戶端收到數據包后，返回一個標志位ACK=1，序號seq=u+1，確認號ack=w+1的數據包。

由此通過四次揮手斷開TCP連接。

詳細過程參見：詳解TCP連接的“三次握手”與“四次揮手”(上)

• 為什么要四次揮手？由於服務器不能馬上斷開連接，導致FIN釋放連接報文與ACK確認接收報文需要分兩次傳輸，即第二次和第三次"揮手"；

3.准備渲染進程

• 11、准備渲染進程：瀏覽器進程檢查當前url是否與之前打開了渲染進程的頁面的根域名相同，如果相同，則復用原來的進程，如果不同，則開啟新的渲染進程；

4.提交文檔

• 12、提交文檔：
  • 渲染進程准備好后，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后與網絡進程建立傳輸數據的“管道”
  • 渲染進程接收完數據后，向瀏覽器發送“確認提交”
  • 瀏覽器進程接收到確認消息后更新瀏覽器界面狀態：安全狀態、地址欄url、前進后退的歷史狀態、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

• 13、先將請求回來的數據解壓，隨后HTML解析器將其中的HTML字節流通過分詞器拆分為一個個Token，然后生成節點Node，最后解析成瀏覽器識別的DOM樹結構。

  可以通過Chrome調試工具的Console選項打開控制台輸入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 規范，是否存在跨站點請求等。如果出現不符合規范的內容，XSSAuditor 會對該腳本或者下載任務進行攔截。

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

6.構建CSSOM

• 14、CSS解析器將CSS轉換為瀏覽器能識別的styleSheets也就是CSSOM：可以通過控制台輸入document.styleSheets查看；

  這里要考慮一下阻塞的問題，由於JavaScript有修改CSS和HTML的能力，所以，需要先等到 CSS 文件下載完成並生成 CSSOM，然后再執行 JavaScript 腳本，最后再繼續構建 DOM。由於這種阻塞，導致了解析白屏；

優化方案：

• 移除js和css的文件下載：通過內聯 JavaScript、內聯 CSS；
• 盡量減少文件大小：如通過 webpack 等工具移除不必要的注釋，並壓縮 js 文件；
• 將不進行DOM操作或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、轉換樣式表中的屬性值，使其標准化。比如將em轉換為px，color轉換為rgb；
• 16、計算DOM樹中每個節點的具體樣式，這里遵循CSS的繼承和層疊規則；可以通過Chrome調試工具的Elements選項的Computed查看某一標簽的最終樣式；

8.布局階段

• 17、創建布局樹，遍歷DOM樹中的所有節點，去掉所有隱藏的節點（比如head，添加了display:none的節點），只在布局樹中保留可見的節點。

• 18、計算布局樹中節點的坐標位置（較復雜，這里不展開）；

9.分層

• 19、對布局樹進行分層，並生成分層樹（Layer Tree），可以通過Chrome調試工具的Layer選項查看。分層樹中每一個節點都直接或間接的屬於一個圖層（如果一個節點沒有對應的層，那么這個節點就從屬於父節點的圖層）

10.圖層繪制

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

渲染進程中的合成線程部分

11.切分圖塊

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進程

12.柵格化操作

• 22、在光柵化線程池中將圖塊轉換成位圖，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內存中。

Ⅴ.瀏覽器主進程

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，並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；

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

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

參考資料：瀏覽器工作原理與實踐