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26f0ae0 Apr 19, 2018
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JavaScript 是如何工作的:渲染引擎以及优化建议

原文:How JavaScript works: the rendering engine and tips to optimize its performance

译者:neal1991

welcome to star my articles-translator , providing you advanced articles translation. Any suggestion, please issue or contact me

LICENSE: MIT

这是专门探索 JavaScript 及其构建组件的系列 #11。 在识别和描述核心元素的过程中,我们也分享了我们在构建SessionStack 时使用的一些经验法则,SessionStack 是一款 JavaScript 应用程序,利用强大且高性能的特性来帮助用户实时查看和重现其 Web 应用程序缺陷。

如果你错过了之前的章节,你可以从这找到他们:

到目前为止,在我们以前的“JavaScript 如何工作”系列博客文章中,我们一直关注 JavaScript 作为一种语言,它的特性,它在浏览器中的执行方式,如何优化它等。

但是,当你构建 Web 应用程序时,你不只是编写独立运行的独立 JavaScript 代码。 你编写的 JavaScript 与环境进行交互。 理解这种环境,它是如何工作的以及它的组成是什么,将使你能够构建更好的应用程序,并对应用程序发布后可能出现的潜在问题做好充分准备。

那么,让我们看看浏览器的主要组件是什么:

  • 用户界面:这包括地址栏,后退和前进按钮,书签菜单等。实质上,这是浏览器显示的每个部分,除了你看到网页本身的窗口。

  • 浏览器引擎: 它处理用户界面和渲染引擎之间的交互。

  • 渲染引擎: 它负责展示网页。 渲染引擎解析 HTML 和 CSS,并在屏幕上展示解析的内容。

  • 网络: 这些是诸如 XHR 请求之类的网络调用,通过对不同的平台使用不同的实现来实现,这些实现在平台无关的接口后面。 在本系列的前一篇文章中,我们更详细地讨论了网络层。

  • UI 后端: 它用于绘制核心小部件,如复选框和窗口。 这个后端公开了一个不是平台特定的通用接口。 它使用底层的操作系统 UI 方法。

  • JavaScript 引擎: 我们在该系列的前一篇文章中详细介绍了这一点。 基本上,这是 JavaScript 执行的地方。

  • 数据持久化:你的应用可能需要在本地存储所有数据。 支持的存储机制类型包括localStorageindexDBWebSQLFileSystem

在这篇文章中,我们将关注渲染引擎,因为它处理 HTML 和 CSS 的解析和可视化,这是大多数 JavaScript 应用程序不断与之交互的东西。

渲染引擎的概述

渲染引擎的主要职责是在浏览器屏幕上显示请求的页面。

渲染引擎可以显示 HTML 和 XML 文档和图像。 如果你使用额外的插件,引擎还可以显示不同类型的文档,如PDF。

渲染引擎

与 JavaScript 引擎类似,不同的浏览器也使用不同的渲染引擎。 这些是一些主流的:

  • Gecko — Firefox

  • WebKit — Safari

  • Blink — Chrome, Opera (from version 15 onwards)

渲染的过程

渲染引擎从网络层接收所请求文档的内容。

下载.png

构建 DOM 树

渲染引擎的第一步是解析 HTML 文档并将解析的元素转换为 DOM 树中的实际 DOM 节点。

想象一下你有以下的文字输入:

<html>
  <head>
    <meta charset="UTF-8">
    <link rel="stylesheet" type="text/css" href="theme.css">
  </head>
  <body>
    <p> Hello, <span> friend! </span> </p>
    <div> 
      <img src="smiley.gif" alt="Smiley face" height="42" width="42">
    </div>
  </body>
</html>

DOM 树看起来应该是这个样子的:

基本上,每个元素都被表示为所有元素的父节点,它们直接包含在它的内部。 这是递归应用的。

构建 CSSOM 树

CSSOM 指的是 CSS 对象模型。 当浏览器构建页面的 DOM 时,它在 head 中遇到 link 标签的时候会引用外部theme.css CSS 样式表的。 预计它可能需要该资源来呈现页面,它立即发送请求。 假设 theme.css 文件包含以下内容:

body { 
  font-size: 16px;
}

p { 
  font-weight: bold; 
}

span { 
  color: red; 
}

p span { 
  display: none; 
}

img { 
  float: right; 
}css

与 HTML 一样,引擎需要将 CSS 转换为浏览器可以使用的东西 - CSSOM。 以下是 CSSOM 树的外观:

你想知道为什么 CSSOM 有一个树结构?当计算页面上任何对象的最后一组样式时,浏览器从适用于该节点的最通用规则开始(例如,如果它是 body 元素的子元素,则应用所有 body 样式),然后递归地细化通过应用更具体的规则来计算样式。

让我们来看看给出的具体例子。包含在 body 元素中的 span 标签中的任何文本的字体大小为16像素,并且字体颜色是红色。这些样式是从 body 元素继承而来的。如果 span 元素是 p 元素的子元素,则由于正在应用更具体的样式,因此不会显示其内容。

另外请注意,上面的树不是完整的 CSSOM 树,只显示了我们决定在样式表中重写的样式。每个浏览器都提供了一组默认的样式,也称为**“用户代理样式”** - 这是我们在没有明确提供任何样式时看到的。我们的样式简单地覆盖这些默认值。

构建渲染树

HTML 中的可视指令与 CSSOM 树中的样式数据结合在一起用于创建渲染树。

你可能会问什么是渲染树? 这是按照它们在屏幕上显示的顺序构建的视觉元素树。 它是 HTML 和相应的 CSS 的可视化表示。 此树的目的是为了以正确的顺序绘制内容。

渲染树中的每个节点都被称为 Webkit 中的渲染器或渲染对象。

这就是上述 DOM 和 CSSOM 树的渲染器树的外观:

为了构建渲染树,浏览器基本会会做下面的这些事情:

  • 从 DOM 树的根节点开始,遍历每个可见节点。 某些节点不可见(例如,脚本标记,元标记等),并且由于它们未反映在呈现的输出中而被忽略。 一些节点通过CSS隐藏,并且也从渲染树中省略。 例如,span 节点 - 在上面的例子中,它并不存在于渲染树中,因为我们有一个明确的规则来设置 display:none 属性

  • 对于每一个可见节点,浏览器会找到合适的匹配 CSSDOM 规则并且加以应用。

  • 它会给出带有内容及其计算样式的可见节点。

你可以在这里查看 RenderObject 的源代码(在WebKit中):

https://github.com/WebKit/webkit/blob/fde57e46b1f8d7dde4b2006aaf7ebe5a09a6984b/Source/WebCore/rendering/RenderObject.h

让我们看一下这个类的核心代码:

class RenderObject : public CachedImageClient {
  // Repaint the entire object.  Called when, e.g., the color of a border changes, or when a border
  // style changes.
  
  Node* node() const { ... }
  
  RenderStyle* style;  // the computed style
  const RenderStyle& style() const;
  
  ...
}

每个渲染器代表一个矩形区域,通常对应于一个节点的 CSS 盒子。 它包括几何信息,例如宽度,高度和位置。

渲染树的布局

当渲染器被创建并添加到树中时,它没有位置和大小。 计算这些值称为布局。

HTML 使用基于 flow 的布局模型,这意味着大部分时间内它可以一次性计算几何。 坐标系相对于根渲染器。 使用顶部和左侧坐标。

布局是一个递归过程 - 它从根渲染器开始,它对应于HTML文档的 元素。 布局通过部分或整个渲染器层次结构递归地继续递归,为需要它的每个渲染器计算几何信息。

根渲染器的位置是0,0,并且其尺寸具有浏览器窗口(也称为视口)的可见部分的尺寸。

开始布局过程意味着给每个节点确切的坐标,它应该出现在屏幕上。

绘制渲染树

在此阶段中,遍历渲染器树并调用渲染器的 paint() 方法以在屏幕上显示内容。

绘画可以是全局或增量式(与布局类似):

  • 全局的 — 整个树会被重新绘制。

  • 增量的 — 只有一些渲染器以不影响整个树的方式进行更改。 渲染器使其矩形在屏幕上无效。 这会导致操作系统将其视为需要重绘和生成绘画事件的区域。 操作系统通过将多个区域合并为一个智能方式来实现。

一般来说,了解绘制是一个渐进的过程是很重要的。 为了更好的用户体验,渲染引擎会尝试尽快在屏幕上显示内容。 它不会等到所有的 HTML 被解析,才开始构建和布置渲染树。 内容的部分内容将被解析并显示,而该过程继续保持来自网络的其余内容项目。

处理脚本和样式表的顺序

当解析器遇到 <script> 标签时,脚本将被立即解析并执行。 文档解析暂停,直到脚本执行完毕。 这意味着该进程是同步

如果脚本是外部的,那么它首先必须从网络获取(也是同步的)。 所有解析都会停止,直到抓取完成。

HTML5 添加了一个选项,将脚本标记为异步,以便它可以被其他线程解析和执行。

优化渲染性能

如果你想优化你的应用,那么你需要关注五个主要方面。 这些是你可以控制的区域:

  1. JavaScript — 在之前的文章中,我们介绍了优化代码的主题,这些代码不会阻止 UI 渲染,提高内存效率等等。当涉及渲染时,我们需要考虑 JavaScript 代码与页面上 DOM 元素交互的方式。 JavaScript 可以在 UI 中创建大量更改,尤其是在 SPA 中。

  2. 样式计算—这是确定哪个 CSS 规则适用于基于匹配选择器的元素的过程。 一旦定义了规则,就会应用这些规则,并计算每个元素的最终样式。

  3. 布局 — 一旦浏览器知道哪些规则适用于元素,就可以开始计算后者占用的空间以及它在浏览器屏幕上的位置。 Web 的布局模型定义了一个元素可以影响其他元素。 例如, 的宽度会影响其子元素的宽度等等。 这一切都意味着布局过程是计算密集型的。 该绘图是在多个层次完成的。

  4. 绘制 — 这是实际像素被填充的位置。 该过程包括绘制文本,颜色,图像,边框,阴影等 - 每个元素的每个视觉部分。

  5. 组装 — 由于页面部件被划分为多层,因此需要按照正确的顺序将其绘制到屏幕上,以便页面正确渲染。 这非常重要,特别是对于重叠元素。

优化你的 JavaScript

JavaScript 经常触发浏览器中的视觉变化。 当建立一个 SPA 时更是如此。

以下是关于 JavaScript 可以优化哪些部分以改善渲染的一些提示:

  • 避免使用 setTimeout 或 setInterval 来进行视觉更新。 这些将在时间轴中的某个点调用回调,可能在最后阶段执行。 我们想要做的就是在画面开始时触发视觉变化,不要错过它。

  • 正如我们之前所讨论的,将长时间运行的 JavacScript 计算移动到 Web Workers。

  • 使用微任务在多个 frame 中引入 DOM 更改。 这是为了防止任务需要访问 DOM,Web Worker 无法访问该 DOM。 这基本上意味着你将一个大任务分解成更小的任务,并根据任务的性质在 requestAnimationFrame,setTimeout,setInterval 中运行它们。

优化你的 CSS

通过添加和删除元素,更改属性等来修改DOM将使浏览器重新计算元素样式,并且在很多情况下还会整个页面的布局或至少部分布局。

要优化渲染,请考虑以下几点:

  • 减少选择器的复杂性。 选择器的复杂性可能需要计算元素样式所需的时间的50%以上,而构造样式本身的其余工作则需要花费超过50%的时间。

  • 减少样式计算必须改变的元素数量。 实质上,直接对几个元素进行样式更改,而不是使整个页面无效。

优化布局

浏览器的布局重新计算可能非常繁重。 考虑以下优化:

  • 尽可能减少布局的数量。 当你更改样式时,浏览器会检查是否有任何更改要求重新计算布局。 对属性(如宽度,高度,左侧,顶部以及通常与几何相关的属性)的更改需要布局。 所以,尽量避免改变它们。

  • 尽可能使用 flexbox 而不是之前的布局模型。因为它运行得更快并且能够为你的应用带来巨大的性能提升。

  • 避免强制同步布局。 需要注意的是,在 JavaScript 运行时,前一帧中的所有旧布局值都是已知的,可供您查询。 如果你访问 box.offsetHeight 它不会是一个问题。 但是,如果您在访问该框之前更改了框的样式(例如,通过向该元素动态添加一些CSS类),浏览器必须先应用样式更改并运行布局。 这可能非常耗时且耗费资源,因此请尽可能避免。

优化绘制

这通常是所有任务中运行时间最长的,因此尽可能避免这种情况非常重要。 以下是我们可以做的事情:

  • 避免更改 transforms 或者 opacity 这些触发绘制的属性。谨慎使用它。

  • 如果你触发了一个布局,你将会触发一个绘制,因为改变几何形状会导致元素的视觉变化

  • 通过图层提升和动画编排来减少绘制区域。

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