浏览器的渲染:过程与原理

浏览器的渲染:过程与原理

天方夜天方夜

内容说明

本文不是关于浏览器渲染的底层原理或前端优化具体细节的讲解,而是关于浏览器对页面的渲染——这一过程的描述及其背后原理的解释。这是因为前端优化是一个非常庞大且零散的知识集合,一篇文章如果要写优化的具体方法恐怕只能做一些有限的列举。

然而,如果了解清楚浏览器的渲染过程、渲染原理,其实就掌握了指导原则。根据优化原则,可以实现出无数种具体的优化方案,各种预编译、预加载、资源合并、按需加载方案都是针对浏览器渲染习惯的优化。

关键渲染路径

提到页面渲染,有几个相关度非常高的概念,最重要的是关键渲染路径,其他几个概念都可以从它展开,下面稍作说明。

关键渲染路径(Critical Rendering Path)是指与当前用户操作有关的内容。例如用户刚刚打开一个页面,首屏的显示就是当前用户操作相关的内容,具体就是浏览器收到 HTML、CSS 和 JavaScript 等资源并对其进行处理从而渲染出 Web 页面。

了解浏览器渲染的过程与原理,很大程度上是为了优化关键渲染路径,但优化应该是针对具体问题的解决方案,所以优化没有一定之规。例如为了保障首屏内容的最快速显示,通常会提到渐进式页面渲染,但是为了渐进式页面渲染,就需要做资源的拆分,那么以什么粒度拆分、要不要拆分,不同页面、不同场景策略不同。具体方案的确定既要考虑体验问题,也要考虑工程问题。

浏览器渲染页面的过程

从耗时的角度,浏览器请求、加载、渲染一个页面,时间花在下面五件事情上:

  1. DNS 查询
  2. TCP 连接
  3. HTTP 请求即响应
  4. 服务器响应
  5. 客户端渲染

本文讨论第五个部分,即浏览器对内容的渲染,这一部分(渲染树构建、布局及绘制),又可以分为下面五个步骤

  1. 处理 HTML 标记并构建 DOM 树。
  2. 处理 CSS 标记并构建 CSSOM 树。
  3. 将 DOM 与 CSSOM 合并成一个渲染树。
  4. 根据渲染树来布局,以计算每个节点的几何信息。
  5. 将各个节点绘制到屏幕上。

需要明白,这五个步骤并不一定一次性顺序完成。如果 DOM 或 CSSOM 被修改,以上过程需要重复执行,这样才能计算出哪些像素需要在屏幕上进行重新渲染。实际页面中,CSS 与 JavaScript 往往会多次修改 DOM 和 CSSOM,下面就来看看它们的影响方式。

阻塞渲染:CSS 与 JavaScript

谈论资源的阻塞时,我们要清楚,现代浏览器总是并行加载资源。例如,当 HTML 解析器(HTML Parser)被脚本阻塞时,解析器虽然会停止构建 DOM,但仍会识别该脚本后面的资源,并进行预加载。

同时,由于下面两点:

  1. 默认情况下,CSS 被视为阻塞渲染的资源,这意味着浏览器将不会渲染任何已处理的内容,直至 CSSOM 构建完毕。
  2. JavaScript 不仅可以读取和修改 DOM 属性,还可以读取和修改 CSSOM 属性。

存在阻塞的 CSS 资源时,浏览器会延迟 JavaScript 的执行和 DOM 构建。另外:

  1. 当浏览器遇到一个 script 标记时,DOM 构建将暂停,直至脚本完成执行。
  2. JavaScript 可以查询和修改 DOM 与 CSSOM。
  3. CSSOM 构建时,JavaScript 执行将暂停,直至 CSSOM 就绪。

所以,script 标签的位置很重要。实际使用时,可以遵循下面两个原则:

  1. CSS 优先:引入顺序上,CSS 资源先于 JavaScript 资源。
  2. JavaScript 应尽量少影响 DOM 的构建。

浏览器的发展日益加快(目前的 Chrome 官方稳定版是 61),具体的渲染策略会不断进化,但了解这些原理后,就能想通它进化的逻辑。下面来看看 CSS 与 JavaScript 具体会怎样阻塞资源。

CSS

<style> p { color: red; }</style>
<link rel="stylesheet" href="index.css">

这样的 link 标签(无论是否 inline)会被视为阻塞渲染的资源,浏览器会优先处理这些 CSS 资源,直至 CSSOM 构建完毕。

渲染树(Render-Tree)的关键渲染路径中,要求同时具有 DOM 和 CSSOM,之后才会构建渲染树。即,HTML 和 CSS 都是阻塞渲染的资源。HTML 显然是必需的,因为包括我们希望显示的文本在内的内容,都在 DOM 中存放,那么可以从 CSS 上想办法。

最容易想到的当然是精简 CSS 并尽快提供它。除此之外,还可以用媒体类型(media type)和媒体查询(media query)来解除对渲染的阻塞。

<link href="index.css" rel="stylesheet">
<link href="print.css" rel="stylesheet" media="print">
<link href="other.css" rel="stylesheet" media="(min-width: 30em) and (orientation: landscape)">

第一个资源会加载并阻塞。
第二个资源设置了媒体类型,会加载但不会阻塞,print 声明只在打印网页时使用。
第三个资源提供了媒体查询,会在符合条件时阻塞渲染。

JavaScript

JavaScript 的情况比 CSS 要更复杂一些。观察下面的代码:

<p>Do not go gentle into that good night,</p>
<script>console.log("inline")</script>
<p>Old age should burn and rave at close of day;</p>
<script src="app.js"></script>
<p>Rage, rage against the dying of the light.</p>

<p>Do not go gentle into that good night,</p>
<script src="app.js"></script>
<p>Old age should burn and rave at close of day;</p>
<script>console.log("inline")</script>
<p>Rage, rage against the dying of the light.</p>

这样的 script 标签会阻塞 HTML 解析,无论是不是 inline-script。上面的 P 标签会从上到下解析,这个过程会被两段 JavaScript 分别打算一次(加载、执行)。

所以实际工程中,我们常常将资源放到文档底部。

改变阻塞模式:defer 与 async

为什么要将 script 加载的 defer 与 async 方式放到后面呢?因为这两种方式是的出现,全是由于前面讲的那些阻塞条件的存在。换句话说,defer 与 async 方式可以改变之前的那些阻塞情形。

首先,注意 async 与 defer 属性对于 inline-script 都是无效的,所以下面这个示例中三个 script 标签的代码会从上到下依次执行。

<!-- 按照从上到下的顺序输出 1 2 3 -->
<script async>
  console.log("1");
</script>
<script defer>
  console.log("2");
</script>
<script>
  console.log("3");
</script>

故,下面两节讨论的内容都是针对设置了 src 属性的 script 标签。

defer

<script src="app1.js" defer></script>
<script src="app2.js" defer></script>
<script src="app3.js" defer></script>

defer 属性表示延迟执行引入的 JavaScript,即这段 JavaScript 加载时 HTML 并未停止解析,这两个过程是并行的。整个 document 解析完毕且 defer-script 也加载完成之后(这两件事情的顺序无关),会执行所有由 defer-script 加载的 JavaScript 代码,然后触发 DOMContentLoaded 事件。

defer 不会改变 script 中代码的执行顺序,示例代码会按照 1、2、3 的顺序执行。所以,defer 与相比普通 script,有两点区别:载入 JavaScript 文件时不阻塞 HTML 的解析,执行阶段被放到 HTML 标签解析完成之后。

async

<script src="app.js" async></script>
<script src="ad.js" async></script>
<script src="statistics.js" async></script>

async 属性表示异步执行引入的 JavaScript,与 defer 的区别在于,如果已经加载好,就会开始执行——无论此刻是 HTML 解析阶段还是 DOMContentLoaded 触发之后。需要注意的是,这种方式加载的 JavaScript 依然会阻塞 load 事件。换句话说,async-script 可能在 DOMContentLoaded 触发之前或之后执行,但一定在 load 触发之前执行。

从上一段也能推出,多个 async-script 的执行顺序是不确定的。值得注意的是,向 document 动态添加 script 标签时,async 属性默认是 true,下一节会继续这个话题。

document.createElement

使用 document.createElement 创建的 script 默认是异步的,示例如下。

console.log(document.createElement("script").async); // true

所以,通过动态添加 script 标签引入 JavaScript 文件默认是不会阻塞页面的。如果想同步执行,需要将 async 属性人为设置为 false。

如果使用 document.createElement 创建 link 标签会怎样呢?

const style = document.createElement("link");
style.rel = "stylesheet";
style.href = "index.css";
document.head.appendChild(style); // 阻塞?

其实这只能通过试验确定,已知的是,Chrome 中已经不会阻塞渲染,Firefox、IE 在以前是阻塞的,现在会怎样我没有试验。

document.write 与 innerHTML

通过 document.write 添加的 link 或 script 标签都相当于添加在 document 中的标签,因为它操作的是 document stream(所以对于 loaded 状态的页面使用 document.write 会自动调用 document.open,这会覆盖原有文档内容)。即正常情况下, link 会阻塞渲染,script 会同步执行。不过这是不推荐的方式,Chrome 已经会显示警告,提示未来有可能禁止这样引入。如果给这种方式引入的 script 添加 async 属性,Chrome 会检查是否同源,对于非同源的 async-script 是不允许这么引入的。

如果使用 innerHTML 引入 script 标签,其中的 JavaScript 不会执行。当然,可以通过 eval() 来手工处理,不过不推荐。如果引入 link 标签,我试验过在 Chrome 中是可以起作用的。另外,outerHTML、insertAdjacentHTML() 应该也是相同的行为,我并没有试验。这三者应该用于文本的操作,即只使用它们添加 text 或普通 HTML Element。

参考资料

Mobile Analysis in PageSpeed Insights

Web Fundamentals

MDN - HTML element reference

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