浏览器渲染原理|原理篇

文章学习导航

面试总览

30 秒速记

核心判断：页面从 HTML/CSS 解析到布局、绘制和合成是一条流水线，变更命中哪一层决定更新成本
原理主线：围绕「一、浏览器如何渲染网页」、「二、浏览器渲染五个阶段」、「三、渲染优化相关」建立输入、状态变化与输出之间的因果关系
文章范围：介绍了浏览器渲染网页的五个主要阶段，包括HTML解析、DOM和CSSOM树的构建、渲染树合成、布局计算以及页面绘制，帮助前端开发者理解浏览器渲染流程及性能优化要点。
边界与代价：浏览器会批量延迟样式计算，但同步读取布局可能强制刷新；合成层也不是越多越好
工程落地：优化应使用性能面板确认主线程、布局、绘制与合成瓶颈，再减少对应阶段的工作量

浏览器会把 HTML 和 CSS 分别解析为 DOM、CSSOM，再生成渲染树，经过布局、绘制与图层合成后显示页面。 普通脚本会暂停 HTML 解析，样式表构建又会阻塞渲染，并可能影响脚本执行，因此首屏资源的加载顺序很关键。改变尺寸或位置会触发回流并伴随重绘，只改颜色等外观通常只需重绘。频繁动画我会优先考虑 transform、requestAnimationFrame 或独立图层，但图层过多也会增加资源消耗。

这篇文章不要按 API 清单来背。先用上面的 Mind Map 建立全局结构，再通过交互 DEMO 观察正常路径和边界路径如何改变状态；阅读正文时重点核对每一步的输入、负责执行的参与者、产生的中间状态以及最终可观察结果。遇到版本敏感结论，要把“历史实现”“当前行为”和“工程兼容策略”分开说明；遇到性能或架构取舍，则用实际指标、失败现象和验证手段支撑判断。

版本校准： 原理文章中的代码代表特定实现与写作时间。应用到当前项目时，应先确认浏览器、框架或工具的主版本，再区分稳定的规范语义、可变化的内部实现和项目自身约束。

# 一、浏览器如何渲染网页

概述：浏览器渲染一共有五步

处理 HTML 并构建 DOM 树。
处理 CSS构建 CSSOM 树。
将 DOM 与 CSSOM 合并成一个渲染树。
根据渲染树来布局，计算每个节点的位置。
调用 GPU 绘制，合成图层，显示在屏幕上

第四步和第五步是最耗时的部分，这两步合起来，就是我们通常所说的渲染

具体如下图过程如下图所示

渲染

网页生成的时候，至少会渲染一次
在用户访问的过程中，还会不断重新渲染

重新渲染需要重复之前的第四步(重新生成布局)+第五步(重新绘制)或者只有第五个步(重新绘制)

在构建 CSSOM 树时，会阻塞渲染，直至 CSSOM树构建完成。并且构建 CSSOM 树是一个十分消耗性能的过程，所以应该尽量保证层级扁平，减少过度层叠，越是具体的 CSS 选择器，执行速度越慢
当 HTML 解析到 script 标签时，会暂停构建 DOM，完成后才会从暂停的地方重新开始。也就是说，如果你想首屏渲染的越快，就越不应该在首屏就加载 JS 文件。并且CSS也会影响 JS 的执行，只有当解析完样式表才会执行 JS，所以也可以认为这种情况下，CSS 也会暂停构建 DOM

# 二、浏览器渲染五个阶段

# 2.1 第一步：解析HTML标签，构建DOM树

在这个阶段，引擎开始解析html，解析出来的结果会成为一棵dom树 dom的目的至少有2个

作为下个阶段渲染树状图的输入
成为网页和脚本的交互界面。(最常用的就是getElementById等等)

当解析器到达script标签的时候，发生下面四件事情

html解析器停止解析,
如果是外部脚本，就从外部网络获取脚本代码
将控制权交给js引擎，执行js代码
恢复html解析器的控制权

由此可以得到第一个结论1

由于<script>标签是阻塞解析的，将脚本放在网页尾部会加速代码渲染。
defer和async属性也能有助于加载外部脚本。
defer使得脚本会在dom完整构建之后执行；
async标签使得脚本只有在完全available才执行，并且是以非阻塞的方式进行的

# 2.2 第二步：解析CSS标签，构建CSSOM树

我们已经看到html解析器碰到脚本后会做的事情，接下来我们看下html解析器碰到样式表会发生的情况
js会阻塞解析，因为它会修改文档(document)。css不会修改文档的结构，如果这样的话，似乎看起来css样式不会阻塞浏览器html解析。但是事实上 css样式表是阻塞的。阻塞是指当cssom树建立好之后才会进行下一步的解析渲染

通过以下手段可以减轻cssom带来的影响

将script脚本放在页面底部
尽可能快的加载css样式表
将样式表按照media type和media query区分，这样有助于我们将css资源标记成非阻塞渲染的资源。
非阻塞的资源还是会被浏览器下载，只是优先级较低

# 2.3 第三步：把DOM和CSSOM组合成渲染树（render tree）

# 2.4 第四步：在渲染树的基础上进行布局，计算每个节点的几何结构

布局(layout)：定位坐标和大小，是否换行，各种position, overflow, z-index属性

# 2.5 调用 GPU 绘制，合成图层，显示在屏幕上

将渲染树的各个节点绘制到屏幕上，这一步被称为绘制painting

# 三、渲染优化相关

# 3.1 Load 和 DOMContentLoaded 区别

Load 事件触发代表页面中的 DOM，CSS，JS，图片已经全部加载完毕。
DOMContentLoaded 事件触发代表初始的 HTML 被完全加载和解析，不需要等待 CSS，JS，图片加载

# 3.2 图层

一般来说，可以把普通文档流看成一个图层。特定的属性可以生成一个新的图层。不同的图层渲染互不影响，所以对于某些频繁需要渲染的建议单独生成一个新图层，提高性能。但也不能生成过多的图层，会引起反作用。

通过以下几个常用属性可以生成新图层

3D 变换：translate3d、translateZ
will-change
video、iframe 标签
通过动画实现的 opacity 动画转换
position: fixed

# 3.3 重绘（Repaint）和回流（Reflow）

重绘和回流是渲染步骤中的一小节，但是这两个步骤对于性能影响很大

重绘是当节点需要更改外观而不会影响布局的，比如改变 color 就叫称为重绘
回流是布局或者几何属性需要改变就称为回流。

回流必定会发生重绘，重绘不一定会引发回流。回流所需的成本比重绘高的多，改变深层次的节点很可能导致父节点的一系列回流

以下几个动作可能会导致性能问题

改变 window 大小
改变字体
添加或删除样式
文字改变
定位或者浮动
盒模型

很多人不知道的是，重绘和回流其实和 Event loop 有关

当 Event loop 执行完Microtasks 后，会判断 document 是否需要更新。因为浏览器是 60Hz 的刷新率，每 16ms 才会更新一次。
然后判断是否有 resize 或者 scroll ，有的话会去触发事件，所以 resize 和 scroll 事件也是至少 16ms才会触发一次，并且自带节流功能。
判断是否触发了 media query
更新动画并且发送事件
判断是否有全屏操作事件
执行 requestAnimationFrame 回调
执行 IntersectionObserver 回调，该方法用于判断元素是否可见，可以用于懒加载上，但是兼容性不好
更新界面
以上就是一帧中可能会做的事情。如果在一帧中有空闲时间，就会去执行 requestIdleCallback 回调

常见的引起重绘的属性

color
border-style
visibility
background
text-decoration
background-image
background-position
background-repeat
outline-color
outline
outline-style
border-radius
outline-width
box-shadow
background-size

# 3.4 常见引起回流属性和方法

任何会改变元素几何信息(元素的位置和尺寸大小)的操作，都会触发重排，下面列一些栗子

添加或者删除可见的DOM元素；
元素尺寸改变——边距、填充、边框、宽度和高度
内容变化，比如用户在input框中输入文字
浏览器窗口尺寸改变——resize事件发生时
计算 offsetWidth 和 offsetHeight 属性
设置 style 属性的值

回流影响的范围

由于浏览器渲染界面是基于流失布局模型的，所以触发重排时会对周围DOM重新排列，影响的范围有两种

全局范围：从根节点html开始对整个渲染树进行重新布局。
局部范围：对渲染树的某部分或某一个渲染对象进行重新布局

全局范围回流

<body>
  <div class="hello">
    <h4>hello</h4>
    <p><strong>Name:</strong>BDing</p>
    <h5>male</h5>
    <ol>
      <li>coding</li>
      <li>loving</li>
    </ol>
  </div>
</body>

@前端进阶之旅: 代码已经复制到剪贴板

当p节点上发生reflow时，hello和body也会重新渲染，甚至h5和ol都会收到影响

局部范围回流

用局部布局来解释这种现象：把一个dom的宽高之类的几何信息定死，然后在dom内部触发重排，就只会重新渲染该dom内部的元素，而不会影响到外界

# 3.5 减少重绘和回流

使用 translate 替代 top

<div class="test"></div>
<style>
    .test {
        position: absolute;
        top: 10px;
        width: 100px;
        height: 100px;
        background: red;
    }
</style>
<script>
    setTimeout(() => {
        // 引起回流
        document.querySelector('.test').style.top = '100px'
    }, 1000)
</script>

@前端进阶之旅: 代码已经复制到剪贴板

使用 visibility 替换 display: none ，因为前者只会引起重绘，后者会引发回流（改变了布局）
把 DOM 离线后修改，比如：先把 DOM 给 display:none (有一次 Reflow)，然后你修改100次，然后再把它显示出来
不要把 DOM 结点的属性值放在一个循环里当成循环里的变量

for(let i = 0; i < 1000; i++) {
    // 获取 offsetTop 会导致回流，因为需要去获取正确的值
    console.log(document.querySelector('.test').style.offsetTop)
}

@前端进阶之旅: 代码已经复制到剪贴板

不要使用 table 布局，可能很小的一个小改动会造成整个 table 的重新布局
动画实现的速度的选择，动画速度越快，回流次数越多，也可以选择使用 requestAnimationFrame
CSS选择符从右往左匹配查找，避免 DOM深度过深
将频繁运行的动画变为图层，图层能够阻止该节点回流影响别的元素。比如对于 video标签，浏览器会自动将该节点变为图层。

文章学习导航

面试总览

30 秒速记

核心判断：页面从 HTML/CSS 解析到布局、绘制和合成是一条流水线，变更命中哪一层决定更新成本
原理主线：围绕「一、浏览器如何渲染网页」、「二、浏览器渲染五个阶段」、「三、渲染优化相关」建立输入、状态变化与输出之间的因果关系
文章范围：介绍了浏览器渲染网页的五个主要阶段，包括HTML解析、DOM和CSSOM树的构建、渲染树合成、布局计算以及页面绘制，帮助前端开发者理解浏览器渲染流程及性能优化要点。
边界与代价：浏览器会批量延迟样式计算，但同步读取布局可能强制刷新；合成层也不是越多越好
工程落地：优化应使用性能面板确认主线程、布局、绘制与合成瓶颈，再减少对应阶段的工作量

# 一、浏览器如何渲染网页

概述：浏览器渲染一共有五步

处理 HTML 并构建 DOM 树。
处理 CSS构建 CSSOM 树。
将 DOM 与 CSSOM 合并成一个渲染树。
根据渲染树来布局，计算每个节点的位置。
调用 GPU 绘制，合成图层，显示在屏幕上

第四步和第五步是最耗时的部分，这两步合起来，就是我们通常所说的渲染

具体如下图过程如下图所示

渲染

网页生成的时候，至少会渲染一次
在用户访问的过程中，还会不断重新渲染

重新渲染需要重复之前的第四步(重新生成布局)+第五步(重新绘制)或者只有第五个步(重新绘制)

在构建 CSSOM 树时，会阻塞渲染，直至 CSSOM树构建完成。并且构建 CSSOM 树是一个十分消耗性能的过程，所以应该尽量保证层级扁平，减少过度层叠，越是具体的 CSS 选择器，执行速度越慢
当 HTML 解析到 script 标签时，会暂停构建 DOM，完成后才会从暂停的地方重新开始。也就是说，如果你想首屏渲染的越快，就越不应该在首屏就加载 JS 文件。并且CSS也会影响 JS 的执行，只有当解析完样式表才会执行 JS，所以也可以认为这种情况下，CSS 也会暂停构建 DOM

# 二、浏览器渲染五个阶段

# 2.1 第一步：解析HTML标签，构建DOM树

在这个阶段，引擎开始解析html，解析出来的结果会成为一棵dom树 dom的目的至少有2个

作为下个阶段渲染树状图的输入
成为网页和脚本的交互界面。(最常用的就是getElementById等等)

当解析器到达script标签的时候，发生下面四件事情

html解析器停止解析,
如果是外部脚本，就从外部网络获取脚本代码
将控制权交给js引擎，执行js代码
恢复html解析器的控制权

由此可以得到第一个结论1

由于<script>标签是阻塞解析的，将脚本放在网页尾部会加速代码渲染。
defer和async属性也能有助于加载外部脚本。
defer使得脚本会在dom完整构建之后执行；
async标签使得脚本只有在完全available才执行，并且是以非阻塞的方式进行的

# 2.2 第二步：解析CSS标签，构建CSSOM树

我们已经看到html解析器碰到脚本后会做的事情，接下来我们看下html解析器碰到样式表会发生的情况
js会阻塞解析，因为它会修改文档(document)。css不会修改文档的结构，如果这样的话，似乎看起来css样式不会阻塞浏览器html解析。但是事实上 css样式表是阻塞的。阻塞是指当cssom树建立好之后才会进行下一步的解析渲染

通过以下手段可以减轻cssom带来的影响

将script脚本放在页面底部
尽可能快的加载css样式表
将样式表按照media type和media query区分，这样有助于我们将css资源标记成非阻塞渲染的资源。
非阻塞的资源还是会被浏览器下载，只是优先级较低

# 2.3 第三步：把DOM和CSSOM组合成渲染树（render tree）

# 2.4 第四步：在渲染树的基础上进行布局，计算每个节点的几何结构

布局(layout)：定位坐标和大小，是否换行，各种position, overflow, z-index属性

# 2.5 调用 GPU 绘制，合成图层，显示在屏幕上

将渲染树的各个节点绘制到屏幕上，这一步被称为绘制painting

# 三、渲染优化相关

# 3.1 Load 和 DOMContentLoaded 区别

Load 事件触发代表页面中的 DOM，CSS，JS，图片已经全部加载完毕。
DOMContentLoaded 事件触发代表初始的 HTML 被完全加载和解析，不需要等待 CSS，JS，图片加载

# 3.2 图层

一般来说，可以把普通文档流看成一个图层。特定的属性可以生成一个新的图层。不同的图层渲染互不影响，所以对于某些频繁需要渲染的建议单独生成一个新图层，提高性能。但也不能生成过多的图层，会引起反作用。

通过以下几个常用属性可以生成新图层

3D 变换：translate3d、translateZ
will-change
video、iframe 标签
通过动画实现的 opacity 动画转换
position: fixed

# 3.3 重绘（Repaint）和回流（Reflow）

重绘和回流是渲染步骤中的一小节，但是这两个步骤对于性能影响很大

重绘是当节点需要更改外观而不会影响布局的，比如改变 color 就叫称为重绘
回流是布局或者几何属性需要改变就称为回流。

回流必定会发生重绘，重绘不一定会引发回流。回流所需的成本比重绘高的多，改变深层次的节点很可能导致父节点的一系列回流

以下几个动作可能会导致性能问题

改变 window 大小
改变字体
添加或删除样式
文字改变
定位或者浮动
盒模型

很多人不知道的是，重绘和回流其实和 Event loop 有关

当 Event loop 执行完Microtasks 后，会判断 document 是否需要更新。因为浏览器是 60Hz 的刷新率，每 16ms 才会更新一次。
然后判断是否有 resize 或者 scroll ，有的话会去触发事件，所以 resize 和 scroll 事件也是至少 16ms才会触发一次，并且自带节流功能。
判断是否触发了 media query
更新动画并且发送事件
判断是否有全屏操作事件
执行 requestAnimationFrame 回调
执行 IntersectionObserver 回调，该方法用于判断元素是否可见，可以用于懒加载上，但是兼容性不好
更新界面
以上就是一帧中可能会做的事情。如果在一帧中有空闲时间，就会去执行 requestIdleCallback 回调

常见的引起重绘的属性

color
border-style
visibility
background
text-decoration
background-image
background-position
background-repeat
outline-color
outline
outline-style
border-radius
outline-width
box-shadow
background-size

# 3.4 常见引起回流属性和方法

任何会改变元素几何信息(元素的位置和尺寸大小)的操作，都会触发重排，下面列一些栗子

添加或者删除可见的DOM元素；
元素尺寸改变——边距、填充、边框、宽度和高度
内容变化，比如用户在input框中输入文字
浏览器窗口尺寸改变——resize事件发生时
计算 offsetWidth 和 offsetHeight 属性
设置 style 属性的值

回流影响的范围

由于浏览器渲染界面是基于流失布局模型的，所以触发重排时会对周围DOM重新排列，影响的范围有两种

全局范围：从根节点html开始对整个渲染树进行重新布局。
局部范围：对渲染树的某部分或某一个渲染对象进行重新布局

全局范围回流

<body>
  <div class="hello">
    <h4>hello</h4>
    <p><strong>Name:</strong>BDing</p>
    <h5>male</h5>
    <ol>
      <li>coding</li>
      <li>loving</li>
    </ol>
  </div>
</body>

@前端进阶之旅: 代码已经复制到剪贴板

当p节点上发生reflow时，hello和body也会重新渲染，甚至h5和ol都会收到影响

局部范围回流

用局部布局来解释这种现象：把一个dom的宽高之类的几何信息定死，然后在dom内部触发重排，就只会重新渲染该dom内部的元素，而不会影响到外界

# 3.5 减少重绘和回流

使用 translate 替代 top

<div class="test"></div>
<style>
    .test {
        position: absolute;
        top: 10px;
        width: 100px;
        height: 100px;
        background: red;
    }
</style>
<script>
    setTimeout(() => {
        // 引起回流
        document.querySelector('.test').style.top = '100px'
    }, 1000)
</script>

@前端进阶之旅: 代码已经复制到剪贴板

使用 visibility 替换 display: none ，因为前者只会引起重绘，后者会引发回流（改变了布局）
把 DOM 离线后修改，比如：先把 DOM 给 display:none (有一次 Reflow)，然后你修改100次，然后再把它显示出来
不要把 DOM 结点的属性值放在一个循环里当成循环里的变量

for(let i = 0; i < 1000; i++) {
    // 获取 offsetTop 会导致回流，因为需要去获取正确的值
    console.log(document.querySelector('.test').style.offsetTop)
}

@前端进阶之旅: 代码已经复制到剪贴板

不要使用 table 布局，可能很小的一个小改动会造成整个 table 的重新布局
动画实现的速度的选择，动画速度越快，回流次数越多，也可以选择使用 requestAnimationFrame
CSS选择符从右往左匹配查找，避免 DOM深度过深
将频繁运行的动画变为图层，图层能够阻止该节点回流影响别的元素。比如对于 video标签，浏览器会自动将该节点变为图层。