浏览器中的页面(下)

分层和合成机制

显示器是怎么显示图像的

每个显示器都有固定的刷新频率，通常是 60HZ，也就是每秒更新 60 张图片，更新的图片都来自于显卡中一个叫前缓冲区的地方，显示器所做的任务很简单，就是每秒固定读取 60 次前缓冲区中的图像，并将读取的图像显示到显示器上。

那么这里显卡做什么呢？

显卡的职责就是合成新的图像，并将图像保存到后缓冲区中，一旦显卡把合成的图像写到后缓冲区，系统就会让后缓冲区和前缓冲区互换，这样就能保证显示器能读取到最新显卡合成的图像。
通常情况下，显卡的更新频率和显示器的刷新频率是一致的。
但有时候，在一些复杂的场景中，显卡处理一张图片的速度会变慢，这样就会造成视觉上的卡顿。

帧 VS 帧率

了解了显示器是怎么显示图像的之后，下面我们再来明确下帧和帧率的概念，因为这是后续一切分析的基础。

当你通过滚动条滚动页面，或者通过手势缩放页面时，屏幕上就会产生动画的效果。
之所以你能感觉到有动画的效果，是因为在滚动或者缩放操作时，渲染引擎会通过渲染流水线生成新的图片，并发送到显卡的后缓冲区。

大多数设备屏幕的更新频率是 60 次 / 秒，这也就意味着正常情况下要实现流畅的动画效果，渲染引擎需要每秒更新 60 张图片到显卡的后缓冲区。

我们把渲染流水线生成的每一副图片称为一帧，把渲染流水线每秒更新了多少帧称为帧率，比如滚动过程中 1 秒更新了 60 帧，那么帧率就是 60Hz（或者 60FPS）。

由于用户很容易观察到那些丢失的帧，如果在一次动画过程中，渲染引擎生成某些帧的时间过久，那么用户就会感受到卡顿，这会给用户造成非常不好的印象。

要解决卡顿问题，就要解决每帧生成时间过久的问题，为此 Chrome 对浏览器渲染方式做了大量的工作，其中最卓有成效的策略就是引入了分层和合成机制。
分层和合成机制代表了当今最先进的渲染技术，所以接下来我们就来分析下什么是合成和渲染技术。

如何生成一帧图像

关于其中任意一帧的生成方式，有重排、重绘和合成三种方式。

这三种方式的渲染路径是不同的，通常渲染路径越长，生成图像花费的时间就越多。
比如重排，它需要重新根据 CSSOM 和 DOM 来计算布局树，这样生成一幅图片时，会让整个渲染流水线的每个阶段都执行一遍，如果布局复杂的话，就很难保证渲染的效率了。
而重绘因为没有了重新布局的阶段，操作效率稍微高点，但是依然需要重新计算绘制信息，并触发绘制操作之后的一系列操作。

相较于重排和重绘，合成操作的路径就显得非常短了，并不需要触发布局和绘制两个阶段，如果采用了 GPU，那么合成的效率会非常高。

所以，关于渲染引擎生成一帧图像的几种方式，按照效率我们推荐合成方式优先，若实在不能满足需求，那么就再退后一步使用重绘或者重排的方式。

我们的焦点在合成上，所以接下来我们就来深入分析下 Chrome 浏览器是怎么实现合成操作的。
Chrome 中的合成技术，可以用三个词来概括总结：分层、分块和合成。

分层和合成

通常页面的组成是非常复杂的，有的页面里要实现一些复杂的动画效果，比如点击菜单时弹出菜单的动画特效，滚动鼠标滚轮时页面滚动的动画效果，当然还有一些炫酷的 3D 动画特效。
如果没有采用分层机制，从布局树直接生成目标图片的话，那么每次页面有很小的变化时，都会触发重排或者重绘机制，这种“牵一发而动全身”的绘制策略会严重影响页面的渲染效率。

为了提升每帧的渲染效率，Chrome 引入了分层和合成的机制。
那该怎么来理解分层和合成机制呢？

你可以把一张网页想象成是由很多个图片叠加在一起的，每个图片就对应一个图层，Chrome 合成器最终将这些图层合成了用于显示页面的图片。
如果你熟悉 PhotoShop 的话，就能很好地理解这个过程了，PhotoShop 中一个项目是由很多图层构成的，每个图层都可以是一张单独图片，可以设置透明度、边框阴影，可以旋转或者设置图层的上下位置，将这些图层叠加在一起后，就能呈现出最终的图片了。

在这个过程中，将素材分解为多个图层的操作就称为分层，最后将这些图层合并到一起的操作就称为合成。
所以，分层和合成通常是一起使用的。

考虑到一个页面被划分为两个层，当进行到下一帧的渲染时，上面的一帧可能需要实现某些变换，如平移、旋转、缩放、阴影或者 Alpha 渐变，这时候合成器只需要将两个层进行相应的变化操作就可以了，显卡处理这些操作驾轻就熟，所以这个合成过程时间非常短。

理解了为什么要引入合成和分层机制，下面我们再来看看 Chrome 是怎么实现分层和合成机制的。

在 Chrome 的渲染流水线中，分层体现在生成布局树之后，渲染引擎会根据布局树的特点将其转换为层树（Layer Tree），层树是渲染流水线后续流程的基础结构。

层树中的每个节点都对应着一个图层，下一步的绘制阶段就依赖于层树中的节点。
在前面我们介绍过，绘制阶段其实并不是真正地绘出图片，而是将绘制指令组合成一个列表，比如一个图层要设置的背景为黑色，并且还要在中间画一个圆形，那么绘制过程会生成 |Paint BackGroundColor:Black | Paint Circle| 这样的绘制指令列表，绘制过程就完成了。

有了绘制列表之后，就需要进入光栅化阶段了，光栅化就是按照绘制列表中的指令生成图片。
每一个图层都对应一张图片，合成线程有了这些图片之后，会将这些图片合成为“一张”图片，并最终将生成的图片发送到后缓冲区。
这就是一个大致的分层、合成流程。

需要重点关注的是，合成操作是在合成线程上完成的，这也就意味着在执行合成操作时，是不会影响到主线程执行的。
这就是为什么经常主线程卡住了，但是 CSS 动画依然能执行的原因。

分块

如果说分层是从宏观上提升了渲染效率，那么分块则是从微观层面提升了渲染效率。

通常情况下，页面的内容都要比屏幕大得多，显示一个页面时，如果等待所有的图层都生成完毕，再进行合成的话，会产生一些不必要的开销，也会让合成图片的时间变得更久。

因此，合成线程会将每个图层分割为大小固定的图块，然后优先绘制靠近视口的图块，这样就可以大大加速页面的显示速度。
不过有时候，即使只绘制那些优先级最高的图块，也要耗费不少的时间，因为涉及到一个很关键的因素——纹理上传，这是因为从计算机内存上传到 GPU 内存的操作会比较慢。

为了解决这个问题，Chrome 又采取了一个策略：在首次合成图块的时候使用一个低分辨率的图片。
比如可以是正常分辨率的一半，分辨率减少一半，纹理就减少了四分之三。在首次显示页面内容的时候，将这个低分辨率的图片显示出来，然后合成器继续绘制正常比例的网页内容，当正常比例的网页内容绘制完成后，再替换掉当前显示的低分辨率内容。
这种方式尽管会让用户在开始时看到的是低分辨率的内容，但是也比用户在开始时什么都看不到要好。

如何利用分层技术优化代码

通过上面的介绍，相信你已经理解了渲染引擎是怎么将布局树转换为漂亮图片的，理解其中原理之后，你就可以利用分层和合成技术来优化代码了。

在写 Web 应用的时候，你可能经常需要对某个元素做几何形状变换、透明度变换或者一些缩放操作，如果使用 JavaScript 来写这些效果，会牵涉到整个渲染流水线，所以 JavaScript 的绘制效率会非常低下。

这时你可以使用 will-change 来告诉渲染引擎你会对该元素做一些特效变换，CSS 代码如下：

1
2
3

.box {
    will-change: transform, opacity;
}

这段代码就是提前告诉渲染引擎 box 元素将要做几何变换和透明度变换操作，这时候渲染引擎会将该元素单独实现一帧，等这些变换发生时，渲染引擎会通过合成线程直接去处理变换，这些变换并没有涉及到主线程，这样就大大提升了渲染的效率。
这也是 CSS 动画比 JavaScript 动画高效的原因。

所以，如果涉及到一些可以使用合成线程来处理 CSS 特效或者动画的情况，就尽量使用 will-change 来提前告诉渲染引擎，让它为该元素准备独立的层。
但是凡事都有两面性，每当渲染引擎为一个元素准备一个独立层的时候，它占用的内存也会大大增加，因为从层树开始，后续每个阶段都会多一个层结构，这些都需要额外的内存，所以你需要恰当地使用 will-change。

页面性能

这里我们所谈论的页面优化，其实就是要让页面更快地显示和响应。
由于一个页面在它不同的阶段，所侧重的关注点是不一样的，所以如果我们要讨论页面优化，就要分析一个页面生存周期的不同阶段。

通常一个页面有三个阶段：加载阶段、交互阶段和关闭阶段。

加载阶段，是指从发出请求到渲染出完整页面的过程，影响到这个阶段的主要因素有网络和 JavaScript 脚本。
交互阶段，主要是从页面加载完成到用户交互的整合过程，影响到这个阶段的主要因素是 JavaScript 脚本。
关闭阶段，主要是用户发出关闭指令后页面所做的一些清理操作。

这里我们需要重点关注加载阶段和交互阶段，因为影响到我们体验的因素主要都在这两个阶段，下面我们就来逐个详细分析下。

加载阶段

我们先来分析如何系统优化加载阶段中的页面，还是先看一个典型的渲染流水线，如下图所示：

加载阶段渲染流水线

观察上面这个渲染流水线，你能分析出来有哪些因素影响了页面加载速度吗？下面我们就先来分析下这个问题。

通过前面的讲解，你应该已经知道了并非所有的资源都会阻塞页面的首次绘制，比如图片、音频、视频等文件就不会阻塞页面的首次渲染；
而 JavaScript、首次请求的 HTML 资源文件、CSS 文件是会阻塞首次渲染的，因为在构建 DOM 的过程中需要 HTML 和 JavaScript 文件，在构造渲染树的过程中需要用到 CSS 文件。

我们把这些能阻塞网页首次渲染的资源称为关键资源。
基于关键资源，我们可以继续细化出来三个影响页面首次渲染的核心因素。

第一个是关键资源个数。关键资源个数越多，首次页面的加载时间就会越长。
比如上图中的关键资源个数就是 3 个，1 个 HTML 文件、1 个 JavaScript 和 1 个 CSS 文件。

第二个是关键资源大小。通常情况下，所有关键资源的内容越小，其整个资源的下载时间也就越短，那么阻塞渲染的时间也就越短。
上图中关键资源的大小分别是 6KB、8KB 和 9KB，那么整个关键资源大小就是 23KB。

第三个是请求关键资源需要多少个 RTT（Round Trip Time）。那什么是 RTT 呢？
在 TCP 协议 中我们分析过，当使用 TCP 协议传输一个文件时，比如这个文件大小是 0.1M，由于 TCP 的特性，这个数据并不是一次传输到服务端的，而是需要拆分成一个个数据包来回多次进行传输的。
RTT 就是这里的往返时延。它是网络中一个重要的性能指标，表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认，总共经历的时延。
通常 1 个 HTTP 的数据包在 14KB 左右，所以 1 个 0.1M 的页面就需要拆分成 8 个包来传输了，也就是说需要 8 个 RTT。

我们可以结合上图来看看它的关键资源请求需要多少个 RTT。首先是请求 HTML 资源，大小是 6KB，小于 14KB，所以 1 个 RTT 就可以解决了。
至于 JavaScript 和 CSS 文件，这里需要注意一点，由于渲染引擎有一个预解析的线程，在接收到 HTML 数据之后，预解析线程会快速扫描 HTML 数据中的关键资源，一旦扫描到了，会立马发起请求，你可以认为 JavaScript 和 CSS 是同时发起请求的，所以它们的请求是重叠的，那么计算它们的 RTT 时，只需要计算体积最大的那个数据就可以了。
这里最大的是 CSS 文件（9KB），所以我们就按照 9KB 来计算，同样由于 9KB 小于 14KB，所以 JavaScript 和 CSS 资源也就可以算成 1 个 RTT。
也就是说，上图中关键资源请求共花费了 2 个 RTT。

了解了影响加载过程中的几个核心因素之后，接下来我们就可以系统性地考虑优化方案了。
总的优化原则就是减少关键资源个数，降低关键资源大小，降低关键资源的 RTT 次数。

如何减少关键资源的个数？一种方式是可以将 JavaScript 和 CSS 改成内联的形式，比如上图的 JavaScript 和 CSS，若都改成内联模式，那么关键资源的个数就由 3 个减少到了 1 个。另一种方式，如果 JavaScript 代码没有 DOM 或者 CSSOM 的操作，则可以改成 async 或者 defer 属性；同样对于 CSS，如果不是在构建页面之前加载的，则可以添加媒体取消阻止显现的标志。当 JavaScript 标签加上了 async 或者 defer、CSSlink 属性之前加上了取消阻止显现的标志后，它们就变成了非关键资源了。
如何减少关键资源的大小？可以压缩 CSS 和 JavaScript 资源，移除 HTML、CSS、JavaScript 文件中一些注释内容，也可以通过前面讲的取消 CSS 或者 JavaScript 中关键资源的方式。
如何减少关键资源 RTT 的次数？可以通过减少关键资源的个数和减少关键资源的大小搭配来实现。除此之外，还可以使用 CDN 来减少每次 RTT 时长。

在优化实际的页面加载速度时，你可以先画出优化之前关键资源的图表，然后按照上面优化关键资源的原则去优化，优化完成之后再画出优化之后的关键资源图表。

交互阶段

接下来我们再来聊聊页面加载完成之后的交互阶段以及应该如何去优化。
谈交互阶段的优化，其实就是在谈渲染进程渲染帧的速度，因为在交互阶段，帧的渲染速度决定了交互的流畅度。
因此讨论页面优化实际上就是讨论渲染引擎是如何渲染帧的，否则就无法优化帧率。

我们先来看看交互阶段的渲染流水线（如下图）。
和加载阶段的渲染流水线有一些不同的地方是，在交互阶段没有了加载关键资源和构建 DOM、CSSOM 流程，通常是由 JavaScript 触发交互动画的。

交互阶段渲染流水线

结合上图，我们来一起回顾下交互阶段是如何生成一个帧的。
大部分情况下，生成一个新的帧都是由 JavaScript 通过修改 DOM 或者 CSSOM 来触发的。
还有另外一部分帧是由 CSS 来触发的。

如果在计算样式阶段发现有布局信息的修改，那么就会触发重排操作，然后触发后续渲染流水线的一系列操作，这个代价是非常大的。

同样如果在计算样式阶段没有发现有布局信息的修改，只是修改了颜色一类的信息，那么就不会涉及到布局相关的调整，所以可以跳过布局阶段，直接进入绘制阶段，这个过程叫重绘。
不过重绘阶段的代价也是不小的。

还有另外一种情况，通过 CSS 实现一些变形、渐变、动画等特效，这是由 CSS 触发的，并且是在合成线程上执行的，这个过程称为合成。
因为它不会触发重排或者重绘，而且合成操作本身的速度就非常快，所以执行合成是效率最高的方式。

回顾了在交互过程中的帧是如何生成的，那接下来我们就可以讨论优化方案了。一个大的原则就是让单个帧的生成速度变快。
所以，下面我们就来分析下在交互阶段渲染流水线中有哪些因素影响了帧的生成速度以及如何去优化。

1. 减少 JavaScript 脚本执行时间

有时 JavaScript 函数的一次执行时间可能有几百毫秒，这就严重霸占了主线程执行其他渲染任务的时间。
针对这种情况我们可以采用以下两种策略：

一种是将一次执行的函数分解为多个任务，使得每次的执行时间不要过久。
另一种是采用 Web Workers。你可以把 Web Workers 当作主线程之外的一个线程，在 Web Workers 中是可以执行 JavaScript 脚本的，不过 Web Workers 中没有 DOM、CSSOM 环境，这意味着在 Web Workers 中是无法通过 JavaScript 来访问 DOM 的，所以我们可以把一些和 DOM 操作无关且耗时的任务放到 Web Workers 中去执行。

总之，在交互阶段，对 JavaScript 脚本总的原则就是不要一次霸占太久主线程。

2. 避免强制同步布局

在介绍强制同步布局之前，我们先来聊聊正常情况下的布局操作。
通过 DOM 接口执行添加元素或者删除元素等操作后，是需要重新计算样式和布局的，不过正常情况下这些操作都是在另外的任务中异步完成的，这样做是为了避免当前的任务占用太长的主线程时间。
为了直观理解，你可以参考下面的代码：

<html>
<body>
    <div id="mian_div">
        <li id="time_li">time</li>
        <li>geekbang</li>
    </div>

    <p id="demo">强制布局demo</p>
    <button onclick="foo()">添加新元素</button>

    <script>
        function foo() {
            let main_div = document.getElementById("mian_div")      
            let new_node = document.createElement("li")
            let textnode = document.createTextNode("time.geekbang")
            new_node.appendChild(textnode);
            document.getElementById("mian_div").appendChild(new_node);
        }
    </script>
</body>
</html>

对于上面这段代码，我们可以使用 Performance 工具来记录添加元素的过程，如下图所示：

Performance记录添加元素的执行过程

从图中可以看出来，执行 JavaScript 添加元素是在一个任务中执行的，重新计算样式布局是在另外一个任务中执行，这就是正常情况下的布局操作。

理解了正常情况下的布局操作，接下来我们就可以聊什么是强制同步布局了。

所谓强制同步布局，是指 JavaScript 强制将计算样式和布局操作提前到当前的任务中。
为了直观理解，这里我们对上面的代码做了一点修改，让它变成强制同步布局，修改后的代码如下所示：

function foo() {
    let main_div = document.getElementById("mian_div")
    let new_node = document.createElement("li")
    let textnode = document.createTextNode("time.geekbang")
    new_node.appendChild(textnode);
    document.getElementById("mian_div").appendChild(new_node);
    //由于要获取到offsetHeight，
    //但是此时的offsetHeight还是老的数据，
    //所以需要立即执行布局操作
    console.log(main_div.offsetHeight)
}

将新的元素添加到 DOM 之后，我们又调用了 main_div.offsetHeight 来获取新 main_div 的高度信息。
如果要获取到 main_div 的高度，就需要重新布局，所以这里在获取到 main_div 的高度之前，JavaScript 还需要强制让渲染引擎默认执行一次布局操作。
我们把这个操作称为强制同步布局。

同样，你可以看下面通过 Performance 记录的任务状态：

触发强制同步布局Performance图

从上图可以看出来，计算样式和布局都是在当前脚本执行过程中触发的，这就是强制同步布局。

为了避免强制同步布局，我们可以调整策略，在修改 DOM 之前查询相关值。代码如下所示：

function foo() {
    let main_div = document.getElementById("mian_div")
    //为了避免强制同步布局，在修改DOM之前查询相关值
    console.log(main_div.offsetHeight)
    let new_node = document.createElement("li")
    let textnode = document.createTextNode("time.geekbang")
    new_node.appendChild(textnode);
    document.getElementById("mian_div").appendChild(new_node);
}

3. 避免布局抖动

还有一种比强制同步布局更坏的情况，那就是布局抖动。所谓布局抖动，是指在一次 JavaScript 执行过程中，多次执行强制布局和抖动操作。
为了直观理解，你可以看下面的代码：

function foo() {
    let time_li = document.getElementById("time_li")
    for (let i = 0; i < 100; i++) {
        let main_div = document.getElementById("mian_div")
        let new_node = document.createElement("li")
        let textnode = document.createTextNode("time.geekbang")
        new_node.appendChild(textnode);
        new_node.offsetHeight = time_li.offsetHeight;
        document.getElementById("mian_div").appendChild(new_node);
    }
}

我们在一个 for 循环语句里面不断读取属性值，每次读取属性值之前都要进行计算样式和布局。
执行代码之后，使用 Performance 记录的状态如下所示：

Performance中关于布局抖动的表现

从上图可以看出，在 foo 函数内部重复执行计算样式和布局，这会大大影响当前函数的执行效率。
这种情况的避免方式和强制同步布局一样，都是尽量不要在修改 DOM 结构时再去查询一些相关值。

4. 合理利用 CSS 合成动画

合成动画是直接在合成线程上执行的，这和在主线程上执行的布局、绘制等操作不同，如果主线程被 JavaScript 或者一些布局任务占用，CSS 动画依然能继续执行。
所以要尽量利用好 CSS 合成动画，如果能让 CSS 处理动画，就尽量交给 CSS 来操作。

另外，如果能提前知道对某个元素执行动画操作，那就最好将其标记为 will-change，这是告诉渲染引擎需要将该元素单独生成一个图层。

5. 避免频繁的垃圾回收

我们知道 JavaScript 使用了自动垃圾回收机制，如果在一些函数中频繁创建临时对象，那么垃圾回收器也会频繁地去执行垃圾回收策略。
这样当垃圾回收操作发生时，就会占用主线程，从而影响到其他任务的执行，严重的话还会让用户产生掉帧、不流畅的感觉。

所以要尽量避免产生那些临时垃圾数据。
那该怎么做呢？可以尽可能优化储存结构，尽可能避免小颗粒对象的产生。

虚拟DOM

虚拟 DOM 是最近非常火的技术，两大著名前端框架 React 和 Vue 都使用了虚拟 DOM，所以非常有必要结合浏览器的工作机制对虚拟 DOM 进行一次分析。

我们会先聊聊 DOM 的一些缺陷，然后在此基础上介绍虚拟 DOM 是如何解决这些缺陷的，最后再站在双缓存和 MVC 的视角来聊聊虚拟 DOM。
理解了这些会让你对目前的前端框架有一个更加底层的认识，这也有助于你更好地理解这些前端框架。

DOM 的缺陷

通过前面的学习，你对 DOM 的生成过程应该已经有了比较深刻的理解，并且也知道了通过 JavaScript 操纵 DOM 是会影响到整个渲染流水线的。
另外，DOM 还提供了一组 JavaScript 接口用来遍历或者修改节点，这套接口包含了 getElementById、removeChild、appendChild 等方法。

比如，我们可以调用 document.body.appendChild(node) 往 body 节点上添加一个元素，调用该 API 之后会引发一系列的连锁反应。
首先渲染引擎会将 node 节点添加到 body 节点之上，然后触发样式计算、布局、绘制、栅格化、合成等任务，我们把这一过程称为重排。
除了重排之外，还有可能引起重绘或者合成操作，形象地理解就是“牵一发而动全身”。
另外，对于 DOM 的不当操作还有可能引发强制同步布局和布局抖动的问题，这些操作都会大大降低渲染效率。
因此，对于 DOM 的操作我们时刻都需要非常小心谨慎。

当然，对于简单的页面来说，其 DOM 结构还是比较简单的，所以以上这些操作 DOM 的问题并不会对用户体验产生太多影响。
但是对于一些复杂的页面或者目前使用非常多的单页应用来说，其 DOM 结构是非常复杂的，而且还需要不断地去修改 DOM 树，每次操作 DOM 渲染引擎都需要进行重排、重绘或者合成等操作，因为 DOM 结构复杂，所生成的页面结构也会很复杂，对于这些复杂的页面，执行一次重排或者重绘操作都是非常耗时的，这就给我们带来了真正的性能问题。

所以我们需要有一种方式来减少 JavaScript 对 DOM 的操作，这时候虚拟 DOM 就上场了。

什么是虚拟 DOM

在谈论什么是虚拟 DOM 之前，我们先来看看虚拟 DOM 到底要解决哪些事情。

将页面改变的内容应用到虚拟 DOM 上，而不是直接应用到 DOM 上。
变化被应用到虚拟 DOM 上时，虚拟 DOM 并不急着去渲染页面，而仅仅是调整虚拟 DOM 的内部状态，这样操作虚拟 DOM 的代价就变得非常轻了。
在虚拟 DOM 收集到足够的改变时，再把这些变化一次性应用到真实的 DOM 上。

基于以上三点，我们再来看看什么是虚拟 DOM。为了直观理解，你可以参考下图：

虚拟DOM执行流程

该图是结合 React 流程画的一张虚拟 DOM 执行流程图，下面我们就结合这张图来分析下虚拟 DOM 到底怎么运行的。

创建阶段。首先依据 JSX 和基础数据创建出来虚拟 DOM，它反映了真实的 DOM 树的结构。然后由虚拟 DOM 树创建出真实 DOM 树，真实的 DOM 树生成完后，再触发渲染流水线往屏幕输出页面。
更新阶段。如果数据发生了改变，那么就需要根据新的数据创建一个新的虚拟 DOM 树；然后 React 比较两个树，找出变化的地方，并把变化的地方一次性更新到真实的 DOM 树上；最后渲染引擎更新渲染流水线，并生成新的页面。

既然聊到虚拟 DOM 的更新，那我们就不得不聊聊最新的 React Fiber 更新机制。
通过上图我们知道，当有数据更新时，React 会生成一个新的虚拟 DOM，然后拿新的虚拟 DOM 和之前的虚拟 DOM 进行比较，这个过程会找出变化的节点，然后再将变化的节点应用到 DOM 上。

这里我们重点关注下比较过程，最开始的时候，比较两个虚拟 DOM 的过程是在一个递归函数里执行的，其核心算法是 reconciliation。
通常情况下，这个比较过程执行得很快，不过当虚拟 DOM 比较复杂的时候，执行比较函数就有可能占据主线程比较久的时间，这样就会导致其他任务的等待，造成页面卡顿。
为了解决这个问题，React 团队重写了 reconciliation 算法，新的算法称为 Fiber reconciler，之前老的算法称为 Stack reconciler。

在前面 async/await 中我们介绍了协程，其实协程的另外一个称呼就是 Fiber，所以在这里我们可以把 Fiber 和协程关联起来，那么所谓的 Fiber reconciler 相信你也很清楚了，就是在执行算法的过程中出让主线程，这样就解决了 Stack reconciler 函数占用时间过久的问题。

了解完虚拟 DOM 的大致执行流程，你应该也就知道为何需要虚拟 DOM 了。
不过以上都从单纯的技术视角来分析虚拟 DOM 的，那接下来我们再从双缓存和 MVC 模型这两个视角来聊聊虚拟 DOM。

1. 双缓存

在开发游戏或者处理其他图像的过程中，屏幕从前缓冲区读取数据然后显示。
但是很多图形操作都很复杂且需要大量的运算，比如一幅完整的画面，可能需要计算多次才能完成，
如果每次计算完一部分图像，就将其写入缓冲区，那么就会造成一个后果，那就是在显示一个稍微复杂点的图像的过程中，你看到的页面效果可能是一部分一部分地显示出来，因此在刷新页面的过程中，会让用户感受到界面的闪烁。

而使用双缓存，可以让你先将计算的中间结果存放在另一个缓冲区中，
等全部的计算结束，该缓冲区已经存储了完整的图形之后，再将该缓冲区的图形数据一次性复制到显示缓冲区，这样就使得整个图像的输出非常稳定。

在这里，你可以把虚拟 DOM 看成是 DOM 的一个 buffer，和图形显示一样，它会在完成一次完整的操作之后，再把结果应用到 DOM 上，这样就能减少一些不必要的更新，同时还能保证 DOM 的稳定输出。

2. MVC 模式

到这里我们了解了虚拟 DOM 是一种类似双缓存的实现。不过如果站在技术角度来理解虚拟缓存，依然不能全面理解其含义。
那么接下来我们再来看看虚拟 DOM 在 MVC 模式中所扮演的角色。

在各大设计模式当中，MVC 是一个非常重要且应用广泛的模式，因为它能将数据和视图进行分离，在涉及到一些复杂的项目时，能够大大减轻项目的耦合度，使得程序易于维护。

关于 MVC 的基础结构，你可以先参考下图：

MVC基础结构

通过上图你可以发现，MVC 的整体结构比较简单，由模型、视图和控制器组成，其核心思想就是将数据和视图分离，也就是说视图和模型之间是不允许直接通信的，它们之间的通信都是通过控制器来完成的。
通常情况下的通信路径是视图发生了改变，然后通知控制器，控制器再根据情况判断是否需要更新模型数据。
当然还可以根据不同的通信路径和控制器不同的实现方式，基于 MVC 又能衍生出很多其他的模式，如 MVP、MVVM 等，不过万变不离其宗，它们的基础骨架都是基于 MVC 而来。

所以在分析基于 React 或者 Vue 这些前端框架时，我们需要先重点把握大的 MVC 骨架结构，然后再重点查看通信方式和控制器的具体实现方式，这样我们就能从架构的视角来理解这些前端框架了。
比如在分析 React 项目时，我们可以把 React 的部分看成是一个 MVC 中的视图，在项目中结合 Redux 就可以构建一个 MVC 的模型结构，如下图所示：

基于React和Redux构建MVC模型

在该图中，我们可以把虚拟 DOM 看成是 MVC 的视图部分，其控制器和模型都是由 Redux 提供的。其具体实现过程如下：

图中的控制器是用来监控 DOM 的变化，一旦 DOM 发生变化，控制器便会通知模型，让其更新数据；
模型数据更新好之后，控制器会通知视图，告诉它模型的数据发生了变化；
视图接收到更新消息之后，会根据模型所提供的数据来生成新的虚拟 DOM；
新的虚拟 DOM 生成好之后，就需要与之前的虚拟 DOM 进行比较，找出变化的节点；
比较出变化的节点之后，React 将变化的虚拟节点应用到 DOM 上，这样就会触发 DOM 节点的更新；
DOM 节点的变化又会触发后续一系列渲染流水线的变化，从而实现页面的更新。

在实际工程项目中，你需要学会分析出这各个模块，并梳理出它们之间的通信关系，这样对于任何框架你都能轻松上手了。

渐进式网页应用(PWA)

我们提到过浏览器的三大进化路线：

第一个是应用程序 Web 化；
第二个是 Web 应用移动化；
第三个是 Web 操作系统化；

其中，第二个 Web 应用移动化是 Google 梦寐以求而又一直在发力的一件事，
不过对于移动设备来说，前有本地 App，后有移动小程序，想要浏览器切入到移动端是相当困难的一件事，因为浏览器的运行性能是低于本地 App 的，并且 Google 也没有类似微信或者 Facebook 这种体量的用户群体。

但是要让浏览器切入到移动端，让其取得和原生应用同等待遇可是 Google 的梦想，那该怎么做呢？

这就是我们要聊的 PWA。那什么是 PWA？PWA 又是以什么方式切入到移动端的呢？

PWA，全称是 Progressive Web App，翻译过来就是渐进式网页应用。
根据字面意思，它就是“渐进式 +Web 应用”。
对于 Web 应用很好理解了，就是目前我们普通的 Web 页面，所以 PWA 所支持的首先是一个 Web 页面。
至于“渐进式”，就需要从下面两个方面来理解。

站在 Web 应用开发者来说，PWA 提供了一个渐进式的过渡方案，让 Web 应用能逐步具有本地应用的能力。采取渐进式可以降低站点改造的代价，使得站点逐步支持各项新技术，而不是一步到位。
站在技术角度来说，PWA 技术也是一个渐进式的演化过程，在技术层面会一点点演进，比如逐渐提供更好的设备特性支持，不断优化更加流畅的动画效果，不断让页面的加载速度变得更快，不断实现本地应用的特性。

从这两点可以看出来，PWA 采取的是非常一个缓和的渐进式策略，不再像以前那样激进，动不动就是取代本地 App、取代小程序。
与之相反，而是要充分发挥 Web 的优势，渐进式地缩短和本地应用或者小程序的距离。

那么 Web 最大的优势是什么呢？
我认为是自由开放，也正是因为自由和开放，所以大家就很容易对同一件事情达成共识，达成共识之后，一套代码就可以运行在各种设备之上了，这就是跨平台，这也恰恰是本地应用所不具备的。
而对于小程序，倒是可以实现跨平台，但要让各家达成共识，目前来看，似乎还是非常不切实际的。

所以我给 PWA 的定义就是：它是一套理念，渐进式增强 Web 的优势，并通过技术手段渐进式缩短和本地应用或者小程序的距离。
基于这套理念之下的技术都可以归类到 PWA。

那我们就主要来聊聊 PWA 主要采用了哪些技术手段来缩短它和本地应用或者小程序的距离。

Web 应用 VS 本地应用

那相对于本地应用，Web 页面到底缺少了什么？

首先，Web 应用缺少离线使用能力，在离线或者在弱网环境下基本上是无法使用的。而用户需要的是沉浸式的体验，在离线或者弱网环境下能够流畅地使用是用户对一个应用的基本要求。
其次，Web 应用还缺少了消息推送的能力，因为作为一个 App 厂商，需要有将消息送达到应用的能力。
最后，Web 应用缺少一级入口，也就是将 Web 应用安装到桌面，在需要的时候直接从桌面打开 Web 应用，而不是每次都需要通过浏览器来打开。

针对以上 Web 缺陷，PWA 提出了两种解决方案：通过引入 Service Worker 来试着解决离线存储和消息推送的问题，通过引入 manifest.json 来解决一级入口的问题。
下面我们就来详细分析下 Service Worker 是如何工作的。

什么是 Service Worker

我们先来看看 Service Worker 是怎么解决离线存储和消息推送的问题。

其实在 Service Worker 之前，WHATWG 小组就推出过用 App Cache 标准来缓存页面，不过在使用过程中 App Cache 所暴露的问题比较多，遭到多方吐槽，所以这个标准最终也只能被废弃了，可见一个成功的标准是需要经历实践考量的。

所以在 2014 年的时候，标准委员会就提出了 Service Worker 的概念，它的主要思想是在页面和网络之间增加一个拦截器，用来缓存和拦截请求。
整体结构如下图所示：

ServiceWorket结构示意图

在没有安装 Service Worker 之前，WebApp 都是直接通过网络模块来请求资源的。
安装了 Service Worker 模块之后，WebApp 请求资源时，会先通过 Service Worker，让它判断是返回 Service Worker 缓存的资源还是重新去网络请求资源。
一切的控制权都交由 Service Worker 来处理。

Service Worker 的设计思路

现在我们知道 Service Worker 的主要功能就是拦截请求和缓存资源，接下来我们就从 Web 应用的需求角度来看看 Service Worker 的设计思路

1. 架构

通过前面页面循环系统的分析，我们已经知道了 JavaScript 和页面渲染流水线的任务都是在页面主线程上执行的，如果一段 JavaScript 执行时间过久，那么就会阻塞主线程，使得渲染一帧的时间变长，从而让用户产生卡顿的感觉，这对用户来说体验是非常不好的。

为了避免 JavaScript 过多占用页面主线程时长的情况，浏览器实现了 Web Worker 的功能。Web Worker 的目的是让 JavaScript 能够运行在页面主线程之外，不过由于 Web Worker 中是没有当前页面的 DOM 环境的，所以在 Web Worker 中只能执行一些和 DOM 无关的 JavaScript 脚本，并通过 postMessage 方法将执行的结果返回给主线程。
所以说在 Chrome 中， Web Worker 其实就是在渲染进程中开启的一个新线程，它的生命周期是和页面关联的。

“让其运行在主线程之外”就是 Service Worker 来自 Web Worker 的一个核心思想。
不过 Web Worker 是临时的，每次 JavaScript 脚本执行完成之后都会退出，执行结果也不能保存下来，如果下次还有同样的操作，就还得重新来一遍。
所以 Service Worker 需要在 Web Worker 的基础之上加上储存功能。

另外，由于 Service Worker 还需要会为多个页面提供服务，所以还不能把 Service Worker 和单个页面绑定起来。
在目前的 Chrome 架构中，Service Worker 是运行在浏览器进程中的，因为浏览器进程生命周期是最长的，所以在浏览器的生命周期内，能够为所有的页面提供服务。

2. 消息推送

消息推送也是基于 Service Worker 来实现的。
因为消息推送时，浏览器页面也许并没有启动，这时就需要 Service Worker 来接收服务器推送的消息，并将消息通过一定方式展示给用户。

3. 安全

关于安全，其中最为核心的一条就是 HTTP。
我们知道，HTTP 采用的是明文传输信息，存在被窃听、被篡改和被劫持的风险，在项目中使用 HTTP 来传输数据无疑是“裸奔”。
所以在设计之初，就考虑对 Service Worker 采用 HTTPS 协议，因为采用 HTTPS 的通信数据都是经过加密的，即便拦截了数据，也无法破解数据内容，而且 HTTPS 还有校验机制，通信双方很容易知道数据是否被篡改。

所以要使站点支持 Service Worker，首先必要的一步就是要将站点升级到 HTTPS。

除了必须要使用 HTTPS，Service Worker 还需要同时支持 Web 页面默认的安全策略，诸如同源策略、内容安全策略（CSP）等，

WebComponent

上面我们从技术演变的角度介绍了 PWA，这是一套集合了多种技术的理念，让浏览器渐进式适应设备端。
现在我们要站在开发者和项目角度来聊聊 WebComponent，同样它也是一套技术的组合，能提供给开发者组件化开发的能力。

那什么是组件化呢？

其实组件化并没有一个明确的定义，不过这里我们可以使用 10 个字来形容什么是组件化，那就是：对内高内聚，对外低耦合。
对内各个元素彼此紧密结合、相互依赖，对外和其他组件的联系最少且接口简单。

可以说，程序员对组件化开发有着天生的需求，因为一个稍微复杂点的项目，就涉及到多人协作开发的问题，每个人负责的组件需要尽可能独立完成自己的功能，其组件的内部状态不能影响到别人的组件，在需要和其他组件交互的地方得提前协商好接口。
通过组件化可以降低整个系统的耦合度，同时也降低程序员之间沟通复杂度，让系统变得更加易于维护。

使用组件化能带来很多优势，所以很多语言天生就对组件化提供了很好的支持，比如 C/C++ 就可以很好地将功能封装成模块，无论是业务逻辑，还是基础功能，抑或是 UI，都能很好地将其组合在一起，实现组件内部的高度内聚、组件之间的低耦合。

大部分语言都能实现组件化，归根结底在于编程语言特性，大多数语言都有自己的函数级作用域、块级作用域和类，可以将内部的状态数据隐藏在作用域之下或者对象的内部，这样外部就无法访问了，然后通过约定好的接口和外部进行通信。

JavaScript 虽然有不少缺点，但是作为一门编程语言，它也能很好地实现组件化，毕竟有自己的函数级作用域和块级作用域，所以封装内部状态数据并提供接口给外部都是没有问题的。

既然 JavaScript 可以很好地实现组件化，那么我们所谈论的 WebComponent 到底又是什么呢？

阻碍前端组件化的因素

在前端虽然 HTML、CSS 和 JavaScript 是强大的开发语言，但是在大型项目中维护起来会比较困难，如果在页面中嵌入第三方内容时，还需要确保第三方的内容样式不会影响到当前内容，同样也要确保当前的 DOM 不会影响到第三方的内容。

所以要聊 WebComponent，得先看看 HTML 和 CSS 是如何阻碍前端组件化的，这里我们就通过下面这样一个简单的例子来分析下：

<style>
p {
      background-color: brown;
      color: cornsilk
   }
</style>
<p>time.geekbang.org</p>

<style>
p {
      background-color: red;
      color: blue
   }
</style>
<p>time.geekbang</p>

上面这两段代码分别实现了自己 p 标签的属性，如果两个人分别负责开发这两段代码的话，那么在测试阶段可能没有什么问题，不过当最终项目整合的时候，其中内部的 CSS 属性会影响到其他外部的 p 标签的，之所以会这样，是因为 CSS 是影响全局的。

我们在 渲染流水线 中分析过，渲染引擎会将所有的 CSS 内容解析为 CSSOM，在生成布局树的时候，会在 CSSOM 中为布局树中的元素查找样式，所以有两个相同标签最终所显示出来的效果是一样的，渲染引擎是不能为它们分别单独设置样式的。

除了 CSS 的全局属性会阻碍组件化，DOM 也是阻碍组件化的一个因素，因为在页面中只有一个 DOM，任何地方都可以直接读取和修改 DOM。
所以使用 JavaScript 来实现组件化是没有问题的，但是 JavaScript 一旦遇上 CSS 和 DOM，那么就相当难办了。

WebComponent 组件化开发

现在我们了解了 CSS 和 DOM 是阻碍组件化的两个因素，那要怎么解决呢？

WebComponent 给出了解决思路，它提供了对局部视图封装能力，可以让 DOM、CSSOM 和 JavaScript 运行在局部环境中，这样就使得局部的 CSS 和 DOM 不会影响到全局。

了解了这些，下面我们就结合具体代码来看看 WebComponent 是怎么实现组件化的。

前面我们说了，WebComponent 是一套技术的组合，具体涉及到了 Custom elements（自定义元素）、Shadow DOM（影子 DOM）和HTML templates（HTML 模板）

下面我们就来演示下这 3 个技术是怎么实现数据封装的，如下面代码所示：

<!DOCTYPE html>
<html>
<body>
    <!--
            一：定义模板
            二：定义内部CSS样式
            三：定义JavaScript行为
    -->
    <template id="geekbang-t">
        <style>
            p {
                background-color: brown;
                color: cornsilk
            }


            div {
                width: 200px;
                background-color: bisque;
                border: 3px solid chocolate;
                border-radius: 10px;
            }
        </style>
        <div>
            <p>time.geekbang.org</p>
            <p>time1.geekbang.org</p>
        </div>
        <script>
            function foo() {
                console.log('inner log')
            }
        </script>
    </template>
    <script>
        class GeekBang extends HTMLElement {
            constructor() {
                super()
                //获取组件模板
                const content = document.querySelector('#geekbang-t').content
                //创建影子DOM节点
                const shadowDOM = this.attachShadow({ mode: 'open' })
                //将模板添加到影子DOM上
                shadowDOM.appendChild(content.cloneNode(true))
            }
        }
        customElements.define('geek-bang', GeekBang)
    </script>


    <geek-bang></geek-bang>
    <div>
        <p>time.geekbang.org</p>
        <p>time1.geekbang.org</p>
    </div>
    <geek-bang></geek-bang>
</body>
</html>

详细观察上面这段代码，我们可以得出：要使用 WebComponent，通常要实现下面三个步骤。

首先，使用 template 属性来创建模板。利用 DOM 可以查找到模板的内容，但是模板元素是不会被渲染到页面上的，也就是说 DOM 树中的 template 节点不会出现在布局树中，所以我们可以使用 template 来自定义一些基础的元素结构，这些基础的元素结构是可以被重复使用的。
一般模板定义好之后，我们还需要在模板的内部定义样式信息。

其次，我们需要创建一个 GeekBang 的类。在该类的构造函数中要完成三件事：

查找模板内容；
创建影子 DOM；
再将模板添加到影子 DOM 上。

上面最难理解的是影子 DOM，其实影子 DOM 的作用是将模板中的内容与全局 DOM 和 CSS 进行隔离，这样我们就可以实现元素和样式的私有化了。
你可以把影子 DOM 看成是一个作用域，其内部的样式和元素是不会影响到全局的样式和元素的，而在全局环境下，要访问影子 DOM 内部的样式或者元素也是需要通过约定好的接口的。

总之，通过影子 DOM，我们就实现了 CSS 和元素的封装，在创建好封装影子 DOM 的类之后，我们就可以使用 customElements.define 来自定义元素了（可参考上述代码定义元素的方式）。

最后，就很简单了，可以像正常使用 HTML 元素一样使用该元素，如上述代码中的 <geek-bang></geek-bang>。

上述代码最终渲染出来的页面，如下图所示：

使用影子DOM的输出效果

从图中我们可以看出，影子 DOM 内部的样式是不会影响到全局 CSSOM 的。
另外，使用 DOM 接口也是无法直接查询到影子 DOM 内部元素的，比如你可以使用 document.getElementsByTagName('div') 来查找所有 div 元素，这时候你会发现影子 DOM 内部的元素都是无法查找的，因为要想查找影子 DOM 内部的元素需要专门的接口，所以通过这种方式又将影子内部的 DOM 和外部的 DOM 进行了隔离。

通过影子 DOM 可以隔离 CSS 和 DOM，不过需要注意一点，影子 DOM 的 JavaScript 脚本是不会被隔离的，比如在影子 DOM 定义的 JavaScript 函数依然可以被外部访问，这是因为 JavaScript 语言本身已经可以很好地实现组件化了。

浏览器如何实现影子 DOM

关于 WebComponent 的使用方式我们就介绍到这里。
WebComponent 整体知识点不多，内容也不复杂，核心就是影子 DOM。
上面我们介绍影子 DOM 的作用主要有以下两点：

影子 DOM 中的元素对于整个网页是不可见的；
影子 DOM 的 CSS 不会影响到整个网页的 CSSOM，影子 DOM 内部的 CSS 只对内部的元素起作用。

那么浏览器是如何实现影子 DOM 的呢？下面我们就来分析下，如下图：

影子DOM示意图

该图是上面那段示例代码对应的 DOM 结构图，从图中可以看出，我们使用了两次 geek-bang 属性，那么就会生成两个影子 DOM，并且每个影子 DOM 都有一个 shadow root 的根节点，我们可以将要展示的样式或者元素添加到影子 DOM 的根节点上，每个影子 DOM 你都可以看成是一个独立的 DOM，它有自己的样式、自己的属性，内部样式不会影响到外部样式，外部样式也不会影响到内部样式。

浏览器为了实现影子 DOM 的特性，在代码内部做了大量的条件判断，比如当通过 DOM 接口去查找元素时，渲染引擎会去判断 geek-bang 属性下面的 shadow-root 元素是否是影子 DOM，如果是影子 DOM，那么就直接跳过 shadow-root 元素的查询操作。
所以这样通过 DOM API 就无法直接查询到影子 DOM 的内部元素了。

另外，当生成布局树的时候，渲染引擎也会判断 geek-bang 属性下面的 shadow-root 元素是否是影子 DOM，如果是，那么在影子 DOM 内部元素的节点选择 CSS 样式的时候，会直接使用影子 DOM 内部的 CSS 属性。
所以这样最终渲染出来的效果就是影子 DOM 内部定义的样式。