浏览器工作原理详解

浏览器工作原理详解

“在浏览器里，从输入 URL 到页面展示，这中间发生了什么？ ”这是一道经典的面试题，能比较全面地考察应聘者知识的掌握程度，其中涉及到了网络、操作系统、Web 等一系列的知识。但很多人只能答出其中几个知识点，并不能将这些知识点串联成线，无法系统而又全面地回答这个问题。

这篇文章会详细的讲解这些内容

首先从浏览器的工作讲起，这里主要讲chrome浏览器(因为chrome浏览器市场占用率最高，具有代表性)

现代浏览器都是多线程执行，由于进程是相互隔离的，所以当一个页面或者插件崩溃时，影响到的仅仅是当前的页面进程或者插件进程，并不会影响到浏览器和其他页面。

下面我们来逐个分析下这几个进程的功能。

• 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。

采用多进程架构的额外好处是可以使用安全沙箱，你可以把沙箱看成是操作系统给进程上了一把锁，沙箱里面的程序可以运行，但是不能在你的硬盘上写入任何数据，也不能在敏感位置读取任何数据，例如你的文档和桌面。Chrome 把插件进程和渲染进程锁在沙箱里面，这样即使在渲染进程或者插件进程里面执行了恶意程序，恶意程序也无法突破沙箱去获取系统权限。

• 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。

TCP协议

下面我们再看下完整的 TCP 连接过程，通过这个过程你可以明白 TCP 是如何保证重传机制和数据包的排序功能的。

从下图可以看出，一个完整的 TCP 连接的生命周期包括了“建立连接”“传输数据”和“断开连接”三个阶段。

首先，建立连接阶段。这个阶段是通过“三次握手”来建立客户端和服务器之间的连接。TCP 提供面向连接的通信传输。面向连接是指在数据通信开始之前先做好两端之间的准备工作。所谓三次握手，是指在建立一个 TCP 连接时，客户端和服务器总共要发送三个数据包以确认连接的建立。

其次，传输数据阶段。在该阶段，接收端需要对每个数据包进行确认操作，也就是接收端在接收到数据包之后，需要发送确认数据包给发送端。所以当发送端发送了一个数据包之后，在规定时间内没有接收到接收端反馈的确认消息，则判断为数据包丢失，并触发发送端的重发机制。同样，一个大的文件在传输过程中会被拆分成很多小的数据包，这些数据包到达接收端后，接收端会按照 TCP 头中的序号为其排序，从而保证组成完整的数据。

最后，断开连接阶段。数据传输完毕之后，就要终止连接了，涉及到最后一个阶段“四次挥手”来保证双方都能断开连接。

到这里你应该就明白了，TCP 为了保证数据传输的可靠性，牺牲了数据包的传输速度，因为“三次握手”和“数据包校验机制”等把传输过程中的数据包的数量提高了一倍。

完整的HTTP服务过程

当我们在web浏览器输入www.baidu.com后

1. 根据www.baidu.com这个域名发起DNS请求返回对应的IP

当然浏览器还提供了 DNS 数据缓存服务，如果某个域名已经解析过了，那么浏览器会缓存解析的结果，以供下次查询时直接使用，这样也会减少一次网络请求。
拿到 IP 之后，接下来就需要获取端口号了。通常情况下，如果 URL 没有特别指明端口号，那么 HTTP 协议默认是 80 端口。

2. 拿到IP后找到对应的服务器建立TCP连接(三次握手)

Chrome 有个机制，同一个域名同时最多只能建立 6 个 TCP 连接，如果在同一个域名下同时有 10 个请求发生，那么其中 4 个请求会进入排队等待状态，直至进行中的请求完成。
当然，如果当前请求数量少于 6，会直接进入下一步，建立 TCP 连接。

3. 建立TCP连接后发起HTTP请求(这个请求是在TCP中的传输数据实现)

首先浏览器会向服务器发送请求行，它包括了请求方法、请求 URI（Uniform Resource Identifier）和 HTTP 版本协议。
在浏览器发送请求行命令之后，还要以请求头形式发送其他一些信息，把浏览器的一些基础信息告诉服务器。比如包含了浏览器所使用的操作系统、浏览器内核等信息，以及当前请求的域名信息、浏览器端的 Cookie 信息，等等。

首先服务器会返回响应行，包括协议版本和状态码。

4. 服务器响应后，浏览器首先得到html并解析它，然后会请求html中的资源(如js、css、图片等)

5. 浏览器解析html、css、js等并渲染呈现出页面给用户

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。

解析HTML转换DOM树

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。首先浏览器会解析HTML文件生成DOM树

可以打开浏览器的控制器，输入document来获得更直观的dom树结构

现在浏览器已经生成DOM树了，但是我们还不知道每个节点的样式是怎么样的，下面开始样式计算

解析CSS转换为styleSheets

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。

紧接着会将属性值标准化

body { font-size: 2em }
p {color:blue;}
span {display: none}
div {font-weight: bold}
div p {color:green;}
div {color:red; }
1
2
3
4
5
6

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。

然后通过CSS的继承规则和层叠规则计算DOM 树中每个节点的样式属性(这里就不在赘述了)

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。

为了构建布局树(也可以理解为渲染树，不过有一点本质的区别)，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树中；
• 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。

布局计算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。

分层

页面中有很多复杂的效果，如一些复杂的 3D 变换、页面滚动，或者使用 z-indexing 做 z 轴排序等，为了更加方便地实现这些效果，渲染引擎还需要为特定的节点生成专用的图层，并生成一棵对应的图层树（LayerTree）

打开 Chrome 的“开发者工具”，选择“Layers”标签，就可以可视化页面的分层情况

浏览器的页面上实际分成了很多图层，这些图层叠加后形成了页面

通常情况下，**并不是布局树的每个节点都包含一个图层，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。**如上图中的 span 标签没有专属图层，那么它们就从属于它们的父节点图层。

构建了图层树后执行会图层绘制操作，会把一个图层的绘制拆分成很多小的绘制指令(从最低层再到最上层)，然后再把这些指令按照顺序组成一个待绘制列表所以在图层绘制阶段，输出的内容就是这些待绘制列表。

栅格化（raster）操作

绘制列表只是用来记录绘制顺序和绘制指令的列表，而实际上绘制操作是由渲染引擎中的合成线程来完成的。

你可以结合下图来看下渲染主线程和合成线程之间的关系

其中栅格化的线程池有渲染进程来维护。

通常，栅格化过程都会使用 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。

合成和显示

一旦所有图块都被光栅化，合成线程就会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。

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。

6. 到了这一步，可以关闭TCP连接了(TCP的四次挥手)

渲染流水线总结

好了，我们现在已经分析完了整个渲染流程，从 HTML 到 DOM、样式计算、布局、图层、绘制、光栅化、合成和显示。下面我用一张图来总结下这整个渲染流程：

1. 渲染进程将 HTML 内容转换为能够读懂的 DOM 树结构。
2. 渲染引擎将 CSS 样式表转化为浏览器可以理解的 styleSheets，计算出 DOM 节点的样式。
3. 创建布局树，并计算元素的布局信息。对布局树进行分层，并生成分层树。
4. 为每个图层生成绘制列表，并将其提交到合成线程。
5. 合成线程将图层分成图块，并在光栅化线程池中将图块转换成位图。
6. 合成线程发送绘制图块命令 DrawQuad 给浏览器进程。
7. 浏览器进程根据 DrawQuad 消息生成页面，并显示到显示器上。