《深入理解Android》一2.1 浏览器工作原理概述
本節(jié)書摘來自華章出版社《深入理解Android》一書中的第2章，第2.1節(jié)，作者孟德國 王耀龍 周金利 黎歡，更多章節(jié)內(nèi)容可以訪問云棲社區(qū)“華章計(jì)算機(jī)”公眾號(hào)查看
2.1 瀏覽器工作原理概述
眾所周知，萬維網(wǎng)（World Wide Web，WWW）以統(tǒng)一資源定位符（Uniform Resource Locator，URL）作為地址空間編碼，以超文本傳送協(xié)議（HyperText Transfer Protocol，HTTP）請(qǐng)求和應(yīng)答，以超文本標(biāo)記語言（HyperText Markup Language，HTML）記錄并以超鏈接（hyperlink）互相關(guān)聯(lián)起來的網(wǎng)頁（web page）文檔作為內(nèi)容單元，構(gòu)成了人類有史以來最為龐大的資料信息庫。瀏覽器（browser application）即是專門用來訪問和瀏覽萬維網(wǎng)頁面的客戶端軟件，也是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的軟件之一，其重要性不言而喻。瀏覽器內(nèi)部最主要也是最重要的模塊是負(fù)責(zé)頁面渲染的排版引擎（layout engine），也可稱作瀏覽器的內(nèi)核（kernel），其余的部分可統(tǒng)稱為瀏覽器的外殼（browser shell）。
下面將從頁面、排版引擎和瀏覽器外殼應(yīng)用三個(gè)方面對(duì)萬維網(wǎng)和瀏覽器技術(shù)的基本概念和原理逐一地做簡(jiǎn)單介紹。
2.1.1 頁面
現(xiàn)代Web Page通常由三部分組成：描述頁面結(jié)構(gòu)和內(nèi)容的HTML語言，控制頁面動(dòng)態(tài)邏輯的JavaScript腳本，設(shè)定頁面風(fēng)格樣式的層疊樣式表（Cascading Style Sheets，CSS）。
HTML是為創(chuàng)建和描述可在瀏覽器中展現(xiàn)的網(wǎng)頁信息而設(shè)計(jì)的一種文本格式標(biāo)記語言，最初于1982年由Tim Berners-Lee創(chuàng)建，后來成為國際標(biāo)準(zhǔn)，由萬維網(wǎng)聯(lián)盟（W3C）維護(hù)。HTML由SGML（Standard Generalized Markup Language）簡(jiǎn)化發(fā)展而來，能夠結(jié)構(gòu)化地表示文檔的構(gòu)成和內(nèi)容（如標(biāo)題、段落、文本、表格），以及一定的外觀（如寬、高、顏色）和語義（如注釋、鏈接）。HTML頁面由多種尖括號(hào)<>包圍起來的標(biāo)簽元素以樹形結(jié)構(gòu)組成，其頂級(jí)標(biāo)簽為，內(nèi)容標(biāo)簽為
JavaScript是一種內(nèi)置于瀏覽器的動(dòng)態(tài)、弱類型、基于原型的網(wǎng)頁腳本語言。一般來說，完整的JavaScript應(yīng)該包括以下幾個(gè)部分：
ECMAScript：描述了該語言的語法和基本對(duì)象；
文檔對(duì)象模型（DOM）：描述處理網(wǎng)頁內(nèi)容的方法和接口；
瀏覽器對(duì)象模型（BOM）：描述與瀏覽器進(jìn)行交互的方法和接口。
JavaScript的出現(xiàn)使得網(wǎng)頁由單純的靜態(tài)HTML變成動(dòng)態(tài)可編程的DHTML，開發(fā)者可用JavaScript來完成讀寫DOM，向頁面添加交互行為，對(duì)瀏覽器事件做出響應(yīng)，創(chuàng)建和發(fā)起網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求等許多工作。
層疊樣式表（CSS）的發(fā)明是為了將網(wǎng)頁的內(nèi)容描述與顯示風(fēng)格的描述分隔出來，HTML中只包含結(jié)構(gòu)和內(nèi)容的描述信息，CSS則只包含樣式的描述信息。單獨(dú)把一些顯示風(fēng)格信息如字體顏色、背景、排版方式等統(tǒng)一放在CSS文本中，可以大大簡(jiǎn)化HTML文件，同時(shí)增強(qiáng)可讀性和修改靈活性。
Web Page一般由前端（front end）開發(fā)設(shè)計(jì)人員直接編寫或者由服務(wù)器端的腳本動(dòng)態(tài)生成，通過Web服務(wù)器以HTTP協(xié)議發(fā)布，供瀏覽器訪問，這種方式即是通常所說的B/S架構(gòu)（Browser/Server Architecture）。
2.1.2 內(nèi)核
瀏覽器的內(nèi)核或稱排版引擎，負(fù)責(zé)請(qǐng)求網(wǎng)絡(luò)頁面資源加以解析排版并呈現(xiàn)給用戶。從資源的下載到最終的頁面展現(xiàn)，可簡(jiǎn)單地理解成一個(gè)線性串聯(lián)的變換過程的組合，原始輸入為URL地址，最終輸出為頁面Bitmap，中間依次經(jīng)過了Loader、Parser、Layout和Paint模塊，如圖2-1所示。
Loader模塊（如圖2-2所示）負(fù)責(zé)處理所有的HTTP請(qǐng)求以及網(wǎng)絡(luò)資源的緩存，相當(dāng)于是從URL輸入到Page Resource輸出的變換過程。HTML頁面中通常有外鏈的JS/CSS/Image資源，為了不阻塞后續(xù)解析過程，一般會(huì)有兩個(gè)IO管道同時(shí)存在，一個(gè)負(fù)責(zé)主頁面下載，一個(gè)負(fù)責(zé)各種外鏈資源的下載。
雖然大部分情況下不同資源可以并發(fā)下載異步解析（如圖片資源可以在主頁面解析顯示完成后再被顯示），但JS腳本可能會(huì)要求改變頁面，因此有時(shí)保持執(zhí)行順序和下載管道后續(xù)處理的阻塞是不可避免的。
Parser模塊主要負(fù)責(zé)解析HTML頁面，完成從HTML文本到HTML語法樹再到文檔對(duì)象樹（Document Object Model Tree，DOM Tree）的映射過程。
HTML語法樹生成如圖2-3所示是一個(gè)典型的語法解析過程，可以分成兩個(gè)子過程：詞法解析和語法解析。詞法解析按照詞法規(guī)則（如正則表達(dá)式）將HTML文本分割成大量的標(biāo)記（token），并去除其中無關(guān)的字符如空格。語法解析按照語法規(guī)則（如上下文無關(guān)文法）匹配Token序列生成語法樹，通常有自上而下和自下而上兩種匹配方式。
瀏覽器內(nèi)核中對(duì)HTML頁面真正的內(nèi)部表示并不是語法樹，而是W3C組織規(guī)范的文檔對(duì)象模型 (Document Object Model，DOM)。DOM也是樹形結(jié)構(gòu)，以Document對(duì)象為根。DOM節(jié)點(diǎn)基本和HTML語法樹節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，因此在語法解析過程中，通常直接生成最終的DOM樹。下面這個(gè)HTML文檔對(duì)應(yīng)的語法樹如圖2-4所示，而實(shí)際構(gòu)建的DOM樹如圖2-5所示。
不同的頁面標(biāo)簽對(duì)應(yīng)不同類型的DOM樹節(jié)點(diǎn)，如
標(biāo)簽會(huì)對(duì)應(yīng)HTMLDiv-Element。DOM節(jié)點(diǎn)類型構(gòu)成一個(gè)繼承體系，詳情可參見WebKit源碼中WebCore/dom和WebCore/html兩個(gè)目錄。頁面中所有的CSS由樣式表CSSStyleSheet集合構(gòu)成，而CSSStyleSheet是一系列CSSRule的集合，每一條CSSRule則由選擇器CSSStyleSelector部分和聲明CSSStyleDeclaration部分構(gòu)成，而CSSStyleDeclaration是CSS屬性和值的Key-Value集合。圖2-6顯示了某一CSS樣式表經(jīng)過CSSParser解析后在瀏覽內(nèi)核中的基本表示。
CSS解析完畢后會(huì)進(jìn)行CSSRule的匹配過程，即尋找滿足每條CSS規(guī)則Selector部分的HTML元素，然后將其Declaration部分應(yīng)用于該元素。實(shí)際的規(guī)則匹配過程會(huì)考慮到默認(rèn)和繼承的CSS屬性、匹配的效率及規(guī)則的優(yōu)先級(jí)等因素。
JavaScript一般由單獨(dú)的腳本引擎解析執(zhí)行，它的作用通常是動(dòng)態(tài)地改變DOM樹（比如為DOM節(jié)點(diǎn)添加事件響應(yīng)處理函數(shù)），即根據(jù)時(shí)間（timer）或事件（event）映射一棵DOM樹到另一棵DOM樹。
簡(jiǎn)單來說，經(jīng)過了Parser模塊的處理，內(nèi)核把頁面文本轉(zhuǎn)換成了一棵節(jié)點(diǎn)帶CSS Style、會(huì)響應(yīng)自定義事件的Styled DOM樹。
顧名思義，Layout過程就是排版，它包含兩大過程。
步驟1：創(chuàng)建布局樹。
布局樹（或者叫做渲染樹、Render Tree，如圖2-7所示）和DOM樹大體能一一對(duì)應(yīng)，兩者在內(nèi)核中同時(shí)存在但作用不同。DOM樹是HTML文檔的對(duì)象表示，同時(shí)也作為JavaScript操縱HTML的對(duì)象接口。Render樹是DOM樹的排版表示，用以計(jì)算可視DOM節(jié)點(diǎn)的布局信息（如寬、高、坐標(biāo)）和后續(xù)階段的繪制顯示。
并非所有DOM節(jié)點(diǎn)都可視，也就是并非所有DOM樹節(jié)點(diǎn)都會(huì)對(duì)應(yīng)生成一個(gè)Render樹節(jié)點(diǎn)。例如，
步驟2：計(jì)算布局。
布局就是安排和計(jì)算頁面中每個(gè)元素大小位置等幾何信息的過程。HTML 采用流式布局模型，基本的原則是頁面元素在順序遍歷過程中依次按從左至右、從上至下的排列方式確定各自的位置區(qū)域。一個(gè)HTML元素對(duì)應(yīng)一個(gè)以CSS盒子模型（如圖2-8所示）描述的方塊區(qū)域，盒子模型決定了內(nèi)容、邊框和邊框內(nèi)外填充區(qū)（Padding、Margin）的大小。HTML元素分成兩個(gè)基本類型，Inline和Block。Inline元素不會(huì)換行，按從左到右來布局。Block元素的出現(xiàn)意味著需要從上至下?lián)Q到下一行來布局。除了這種基本的順序按照元素的Inline和Block來進(jìn)行流式布局之外，還有特殊指定的一些布局方式，如Absolute/Fixed/Relative三種定位布局以及Float浮動(dòng)布局。簡(jiǎn)單情況下，布局可以順序遍歷一次Render樹完成，但也有需要迭代的情況。當(dāng)祖先元素的大小位置依賴于后代元素或者互相依賴時(shí)，一次遍歷就無法完成布局，如Table元素的寬高未明確指定而其下某一子元素Tr指定其高度為父Table高度的30%的情況。
經(jīng)過了Layout階段的處理，我們把帶Style的DOM樹變換成包含布局信息和繪制信息的Render樹，接下來的顯示工作就交由Paint模塊進(jìn)行操作了。
Paint模塊負(fù)責(zé)將Render樹映射成可視的圖形，它會(huì)遍歷Render樹調(diào)用每個(gè)Render節(jié)點(diǎn)的繪制方法將其內(nèi)容顯示在一塊畫布或者位圖上，并最終呈現(xiàn)在瀏覽器應(yīng)用窗口中成為用戶看到的實(shí)際頁面。每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的大小位置等信息都已經(jīng)由Layout階段計(jì)算好了，節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容取決于對(duì)應(yīng)的HTML元素，或是文本，或是圖片，或是UI控件。
通常情況下，布局和繪制是相當(dāng)耗時(shí)的操作。如果DOM樹每次略有改動(dòng)都要重新布局和繪制一次，效率會(huì)相當(dāng)?shù)拖隆Ｒ虼?#xff0c;一般瀏覽內(nèi)核都會(huì)實(shí)現(xiàn)一種增量布局和增量繪制的方式。當(dāng)一個(gè)DOM樹節(jié)點(diǎn)（或者它的子節(jié)點(diǎn)）內(nèi)容或者樣式發(fā)生變化時(shí)，內(nèi)核會(huì)確定其影響范圍，在布局階段會(huì)標(biāo)記出受該節(jié)點(diǎn)布局影響的其他節(jié)點(diǎn)（比如可能是子節(jié)點(diǎn)），在繪制階段則會(huì)標(biāo)記出一個(gè)Dirty區(qū)域并通知系統(tǒng)重繪。
按照HTML相關(guān)規(guī)范，頁面元素的CSS屬性也規(guī)定了其繪制順序，如根據(jù)不同Layer必須按順序繪制，否則覆蓋疊加效果會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，如元素的邊框輪廓和內(nèi)容背景的繪制次序也有規(guī)定。
基本上瀏覽內(nèi)核的工作原理即如上所述，不同瀏覽器的具體實(shí)現(xiàn)架構(gòu)不盡相同，所采用的術(shù)語名稱可能不一樣，但都需要完成上述各個(gè)階段的工作。例如，Mozilla Firefox瀏覽器使用的Gecko排版引擎主要流程如圖2-9所示。
2.1.3 外殼
瀏覽器作為一個(gè)完整軟件，除了對(duì)用戶透明和不可見的渲染引擎作為內(nèi)核外，還需要有供用戶交互使用的外殼UI界面，圖2-10給出了一個(gè)瀏覽器Shell的基本模塊架構(gòu)。目前的主流瀏覽器基本都會(huì)提供如下功能：
地址欄URI輸入；
前進(jìn)后退和刷新停止的控制按鈕；
主頁、網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)航和搜索；
歷史、書簽和下載管理；
多標(biāo)簽頁瀏覽和會(huì)話管理；
查找、縮放和全屏；
數(shù)據(jù)持久化如Cookie、LocalStorage等；
選項(xiàng)設(shè)置；
插件和功能擴(kuò)展。
由于Ajax、HTML 5等前端技術(shù)和瀏覽引擎的迅猛發(fā)展，今天的瀏覽器已經(jīng)超出了展現(xiàn)某URL上網(wǎng)頁內(nèi)容這一基本功能的范疇，網(wǎng)頁可作為繪圖、辦公、游戲、即時(shí)通信等應(yīng)用的載體。Web App已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，瀏覽器也從單一的工具軟件向Web OS的方向演進(jìn)。每一個(gè)Web Page或Web App可看成對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)操作系統(tǒng)中的一個(gè)Native App，排版引擎作為Kernel執(zhí)行Web App，瀏覽外殼作為GUI Shell供用戶操作使用，多標(biāo)簽瀏覽器相當(dāng)于多任務(wù)操作系統(tǒng)，Google的Chrome瀏覽器和由此演變而來的Chrome OS可看作這一想法的實(shí)施典型。圖2-11描述了Chrome瀏覽器和WebKit排版引擎之間的層次結(jié)構(gòu)和調(diào)用關(guān)系，圖2-12則給出了Chrome多進(jìn)程設(shè)計(jì)的核心架構(gòu)。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的《深入理解Android》一2.1 浏览器工作原理概述的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
- 上一篇： 线性规划问题（一）
- 下一篇： 《Java和Android开发实战详解》