浏览器渲染原理

Oct 18 · 20min

浏览器是如何渲染页面的?

当浏览器的网络线程收到 HTML 文档后,会产生一个渲染任务,并将其传递给渲染主线程的消息队列。

在事件循环机制的作用下,渲染主线程取出消息队列中的渲染任务,开启渲染流程。

课堂 ppt conv 2


整个渲染流程分为多个阶段,分别是: HTML 解析、样式计算、布局、分层、绘制、分块、光栅化、画

每个阶段都有明确的输入输出,上一个阶段的输出会成为下一个阶段的输入。

这样,整个渲染流程就形成了一套组织严密的生产流水线。

课堂 ppt conv 3


渲染的第一步是解析 HTML

解析过程中遇到 CSS 解析 CSS,遇到 JS 执行 JS。为了提高解析效率,浏览器在开始解析前,会启动一个预解析的线程,率先下载 HTML 中的外部 CSS 文件和 外部的 JS 文件。

如果主线程解析到link位置,此时外部的 CSS 文件还没有下载解析好,主线程不会等待,继续解析后续的 HTML。这是因为下载和解析 CSS 的工作是在预解析线程中进行的。这就是 CSS 不会阻塞 HTML 解析的根本原因。

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如果主线程解析到script位置,会停止解析 HTML,转而等待 JS 文件下载好,并将全局代码解析执行完成后,才能继续解析 HTML。这是因为 JS 代码的执行过程可能会修改当前的 DOM 树,所以 DOM 树的生成必须暂停。这就是 JS 会阻塞 HTML 解析的根本原因。

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第一步完成后,会得到 DOM 树和 CSSOM 树,浏览器的默认样式、内部样式、外部样式、行内样式均会包含在 CSSOM 树中。

image-20251018174731637

DOM树:

浏览器控制台执行:

document

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DOM树是浏览器将HTML文档解析成的一个由节点和对象组成的树状结构,它代表了整个文档的内容和结构,并使得JavaScript等语言能够动态地访问和修改页面。

CSSOM树:

浏览器控制台执行:

document.styleSheets

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CSSOM树是浏览器解析CSS样式后,根据选择器层级关系构建的、包含所有样式信息的树状结构,它与DOM树结合以确定页面中每个元素的最终渲染样式。


渲染的下一步是样式计算

主线程会遍历得到的 DOM 树,依次为树中的每个节点计算出它最终的样式,称之为 Computed Style。

在这一过程中,很多预设值会变成绝对值,比如red会变成rgb(255,0,0);相对单位会变成绝对单位,比如em会变成px

这一步完成后,会得到一棵带有样式的 DOM 树。

image-20251018174808086

样式计算:

浏览器修改元素样式color:red

image-20251018195410505

查看计算样式:

color:red转换成了具体的值

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接下来是布局,布局完成后会得到布局树。

布局阶段会依次遍历 DOM 树的每一个节点,计算每个节点的几何信息。例如节点的宽高、相对包含块的位置。

image-20251018174824476

大部分时候,DOM 树和布局树并非一一对应。

比如display:none的节点没有几何信息,因此不会生成到布局树;又比如使用了伪元素选择器,虽然 DOM 树中不存在这些伪元素节点,但它们拥有几何信息,所以会生成到布局树中。还有匿名行盒、匿名块盒等等都会导致 DOM 树和布局树无法一一对应。

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下一步是分层

主线程会使用一套复杂的策略对整个布局树中进行分层。

分层的好处在于,将来某一个层改变后,仅会对该层进行后续处理,从而提升效率。

滚动条、堆叠上下文、transform、opacity 等样式都会或多或少的影响分层结果,也可以通过will-change属性更大程度的影响分层结果。

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浏览器:

一个代表一层

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再下一步是绘制

主线程会为每个层单独产生绘制指令集,用于描述这一层的内容该如何画出来。

image-20251018175008045


完成绘制后,主线程将每个图层的绘制信息提交给合成线程,剩余工作将由合成线程完成。

image-20251018175042891

合成线程首先对每个图层进行分块,将其划分为更多的小区域。

image-20251018175108383

它会从线程池中拿取多个线程来完成分块工作。

image-20251018175143661


分块完成后,进入光栅化阶段。

合成线程会将块信息交给 GPU 进程,以极高的速度完成光栅化。

GPU 进程会开启多个线程来完成光栅化,并且优先处理靠近视口区域的块。

光栅化的结果,就是一块一块的位图

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最后一个阶段就是

合成线程拿到每个层、每个块的位图后,生成一个个「指引(quad)」信息。

指引会标识出每个位图应该画到屏幕的哪个位置,以及会考虑到旋转、缩放等变形。

变形发生在合成线程,与渲染主线程无关,这就是transform效率高的本质原因。

合成线程会把 quad 提交给 GPU 进程,由 GPU 进程产生系统调用,提交给 GPU 硬件,完成最终的屏幕成像。

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什么是 reflow?

reflow 的本质就是重新计算 layout 树。

当进行了会影响布局树的操作后,需要重新计算布局树,会引发 layout。

为了避免连续的多次操作导致布局树反复计算,浏览器会合并这些操作,当 JS 代码全部完成后再进行统一计算。所以,改动属性造成的 reflow 是异步完成的。

也同样因为如此,当 JS 获取布局属性时,就可能造成无法获取到最新的布局信息。

浏览器在反复权衡下,最终决定获取属性立即 reflow。

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什么是 repaint?

repaint 的本质就是重新根据分层信息计算了绘制指令。

当改动了可见样式后,就需要重新计算,会引发 repaint。

由于元素的布局信息也属于可见样式,所以 reflow 一定会引起 repaint。

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为什么 transform 的效率高?

因为 transform 既不会影响布局也不会影响绘制指令,它影响的只是渲染流程的最后一个「draw」阶段

由于 draw 阶段在合成线程中,所以 transform 的变化几乎不会影响渲染主线程。反之,渲染主线程无论如何忙碌,也不会影响 transform 的变化。

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代码1:

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
  <head>
    <meta charset="UTF-8" />
    <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge" />
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0" />
    <title>Document</title>

    <style>
      .ball {
        width: 100px;
        height: 100px;
        background: #f40;
        border-radius: 50%;
        margin: 30px;
      }
      .ball1 {
        animation: move1 1s alternate infinite ease-in-out;
      }
      .ball2 {
        position: fixed;
        left: 0;
        animation: move2 1s alternate infinite ease-in-out;
      }
      @keyframes move1 {
        to {
          transform: translate(100px);
        }
      }
      @keyframes move2 {
        to {
          left: 100px;
        }
      }
    </style>
  </head>
  <body>
    <button id="btn">死循环</button>
    <div class="ball ball1"></div>
    <div class="ball ball2"></div>
    <script>
      function delay(duration) {
        var start = Date.now();
        while (Date.now() - start < duration) {}
      }
      btn.onclick = function () {
        delay(5000);
      };
    </script>
  </body>
</html>

代码运行时,两个小球同时都在左右平移,当点击死循环按钮,ball2的动画是通过直接修改left: 100px;来产生平移,ball1是动画是通过transform: translate(100px);来产生平移,前者ball1会产生发生在draw阶段,由合成线程来执行,后者ball2由于布局和位置发生改变,发生在style样式计算阶段,由渲染主线程来执行,当点击死循环按钮,会阻塞渲染主线程,导致ball2卡死。

总结:

对比项球1 (使用 transform)球2 (使用 left)
执行线程合成器线程 (Compositor Thread)主线程 (Main Thread)
渲染步骤仅需要合成 (Composite)需要重排/布局 (Layout) -> 重绘 (Paint)
工作原理浏览器为其创建独立图层,动画的每一帧仅由合成器线程移动图层,非常高效。每一帧都需要主线程重新计算元素在页面中的位置和大小,并可能影响其他元素。
当主线程阻塞时合成器线程不受影响,继续独立工作。主线程无法处理动画的计算和绘制任务。
最终表现动画流畅动画卡死

代码2:

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
  <head>
    <meta charset="UTF-8" />
    <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge" />
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0" />
    <title>Document</title>
  </head>
  <body>
    <button id="btn">死循环</button>
    <p>
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      error soluta iusto eaque facilis nihil fuga laudantium, consectetur saepe.
      Dolores repudiandae quas soluta quos vero. Illum aspernatur hic ex sit
      assumenda. Distinctio, officiis deserunt. Nostrum enim illo quas, possimus
      quaerat minus est repudiandae rem nisi a natus molestias assumenda vitae
      dolorem accusamus libero, quidem voluptatem molestiae consequuntur magni
      dolor ratione quisquam. Ex eveniet porro laborum quod quidem, iusto
      corporis aliquid esse voluptatibus, maiores vero deserunt exercitationem
      molestiae. Dolor id doloribus sequi laudantium nam sapiente nostrum.
      Molestias veniam minus quo ea sint beatae quidem repellendus, dignissimos,
      culpa quod cum corporis quibusdam vero, totam et! Praesentium laborum
      explicabo, cum recusandae quasi eaque aperiam fugiat aliquam amet omnis
      delectus officia quod cupiditate? Voluptates consectetur natus, iste quo
      quisquam dolores. Fugiat modi nobis hic dolorum doloribus maxime velit
      maiores voluptatibus, atque perspiciatis soluta, sit impedit pariatur est
      ipsa harum illo voluptates minus facilis laboriosam eveniet laudantium.
      Veniam placeat, ullam eveniet commodi voluptas ab doloribus cumque
      sapiente corrupti illo maxime, aut quas nemo, obcaecati nesciunt
      voluptatem exercitationem expedita tempora dolor laboriosam magnam eum
      molestias? Totam vel sapiente ipsam esse veritatis sequi, ipsum quasi
      reprehenderit tempora sint fuga rerum in voluptatibus, placeat nesciunt.
      Beatae sapiente laboriosam eaque aut saepe temporibus nisi consectetur
      accusantium veniam? Quia amet odit commodi iusto cumque est consequatur
      nemo sit, repellat magni, possimus reiciendis ipsum veniam cupiditate ipsa
      ullam omnis? Perferendis, eligendi? Inventore unde illum dolore culpa
      eaque et ab quia dolores officiis repudiandae, dolorem quaerat dicta
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    </p>
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      function delay(duration) {
        var start = Date.now();
        while (Date.now() - start < duration) {}
      }
      btn.onclick = function () {
        delay(5000);
      };
    </script>
  </body>
</html>

点击死循环按钮,页面仍然能继续滚动,浏览器将滚动操作放在了合成器线程中进行处理,因此尽管渲染主线程被阻塞了,任然可以滚动页面。

总结:

对比项主线程 (Main Thread)合成器线程 (Compositor Thread)
主要职责执行 JavaScript、进行页面布局和绘制。独立处理页面滚动和特定CSS动画。
当前状态delay(5000)函数中的死循环完全阻塞,无法工作。不受影响,保持独立运行。
对滚动操作的响应因被阻塞,无法处理任何滚动请求。直接接收并处理用户的滚动操作,移动页面图层。
最终结果页面上的JS交互(如点击)会卡死。页面依然可以流畅滚动
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