一文摸透从输入URL到页面渲染的过程

从输入URL到页面渲染需要Chrome浏览器的多个进程配合，所以我们先来谈谈现阶段Chrome浏览器的多进程架构。

一、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 转换为用户可以与之交互的网页，排版引擎Blink和JavaScript引擎V8都是运行在该进程中，默认情况下，Chrome会为每个Tab标签创建一个渲染进程。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成为浏览器普遍的需求。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，之前是作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，所以需要通过插件进程来隔离，以保证插件进程崩溃不会对浏览器和页面造成影响

了解了Chrome的多进程架构，就能够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。

二、导航阶段

Ⅰ.浏览器主进程

1.用户输入URL

• 1、浏览器进程检查url，组装协议，构成完整的url，这时候有两种情况：
  • 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；
• 2、浏览器进程通过进程间通信（IPC）把url请求发送给网络进程；

Ⅱ.网络进程

2.URL请求过程

• 3、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，如果有则将该资源返回给浏览器进程；

这里涉及到浏览器的缓存策略问题，有兴趣的可以上网查阅相关资料。

• 4、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 -> *DNS服务器 -> 13台根DNS服务器）

• 5、等待TCP队列：浏览器会为每个域名最多维护6个TCP连接，如果发起一个HTTP请求时，这 6个 TCP连接都处于忙碌状态，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连接的限制了；

• 6、通过三次握手建立TCP连接：

  

  • 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，表示这是一个请求建立连接的数据包；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标志位判断为建立连接的请求，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，并希望下次从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，由此成功建立了TCP连接，可以开始数据传送；

  • 为什么要第三次挥手？避免服务器等待造成资源浪费，具体原因：

  如果没有最后一个数据包确认（第三次握手），A先发出一个建立连接的请求数据包，由于网络原因绕远路了。A经过设定的超时时间后还未收到B的确认数据包。

  于是发出第二个建立连接的请求数据包，这次网路通畅，B的确认数据包也很快就到达A。于是A与B开始传输数据；

  过了一会A第一次发出的建立连接的请求数据包到达了B，B以为是再次建立连接，所以又发出一个确认数据包。由于A已经收到了一个确认数据包，所以会忽略B发来的第二个确认数据包，但是B发出确认数据包之后就要一直等待A的回复，而A永远也不会回复。

  由此造成服务器资源浪费，这种情况多了B计算机可能就停止响应了。

• 7、构建并发送HTTP请求信息；

• 8、服务器端处理请求；

• 9、客户端处理响应，首先检查服务器响应报文的状态码：

  • 如果是301/302表示服务器已更换域名需要重定向，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，然后再发起新的HTTP或者HTTPS请求，跳回第4步。
  • 如果是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；

• 10、请求结束，当通用首部字段Conection不是Keep-Alive时，即不为TCP长连接时，通过四次挥手断开TCP连接：

• 第一次：客户端（主动断开连接）发送数据包给服务器，其中标志位FIN=1，序号位seq=u，并停止发送数据；
• 第二次：服务器收到数据包后，由于还需传输数据，无法立即关闭连接，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：服务器准备好断开连接后，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。

由此通过四次挥手断开TCP连接。

详细过程参见：详解TCP连接的“三次握手”与“四次挥手”(上)

• 为什么要四次挥手？由于服务器不能马上断开连接，导致FIN释放连接报文与ACK确认接收报文需要分两次传输，即第二次和第三次"挥手"；

3.准备渲染进程

• 11、准备渲染进程：浏览器进程检查当前url是否与之前打开了渲染进程的页面的根域名相同，如果相同，则复用原来的进程，如果不同，则开启新的渲染进程；

4.提交文档

• 12、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建立传输数据的“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

三、渲染阶段

在渲染阶段通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

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

  可以通过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 之后，它会检测这些模块是否安全，比如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。如果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前下载这些文件，下载时间以最后下载完的文件为准。

6.构建CSSOM

• 14、CSS解析器将CSS转换为浏览器能识别的styleSheets也就是CSSOM：可以通过控制台输入document.styleSheets查看；

  这里要考虑一下阻塞的问题，由于JavaScript有修改CSS和HTML的能力，所以，需要先等到 CSS 文件下载完成并生成 CSSOM，然后再执行 JavaScript 脚本，最后再继续构建 DOM。由于这种阻塞，导致了解析白屏；

优化方案：

• 移除js和css的文件下载：通过内联 JavaScript、内联 CSS；
• 尽量减少文件大小：如通过 webpack 等工具移除不必要的注释，并压缩 js 文件；
• 将不进行DOM操作或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文件拆分成多个不同用途的 CSS 文件，只有在特定的场景下才会加载特定的 CSS 文件。

可以通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

• 15、转换样式表中的属性值，使其标准化。比如将em转换为px，color转换为rgb；
• 16、计算DOM树中每个节点的具体样式，这里遵循CSS的继承和层叠规则；可以通过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

• 17、创建布局树，遍历DOM树中的所有节点，去掉所有隐藏的节点（比如head，添加了display:none的节点），只在布局树中保留可见的节点。

• 18、计算布局树中节点的坐标位置（较复杂，这里不展开）；

9.分层

• 19、对布局树进行分层，并生成分层树（Layer Tree），可以通过Chrome调试工具的Layer选项查看。分层树中每一个节点都直接或间接的属于一个图层（如果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。以上操作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

21、合成线程将图层切分成大小固定的图块（256x256或者512x512）然后优先绘制靠近视口的图块，这样就可以大大加速页面的显示速度；

Ⅳ.GPU进程

12.栅格化操作

• 22、在光栅化线程池中将图块转换成位图，通常这个过程都会使用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

• 23、合成：一旦所有图块都被光栅化，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”，然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；

• 24、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，然后根据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，经过这一系列的阶段，编写好的HTML、CSS、JavaScript等文件，经过浏览器就会显示出漂亮的页面了。

参考资料：浏览器工作原理与实践