分析浏览器如何将 CSS 转换为渲染树计算节点 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

浏览器 CSS 渲染树计算节点解析

大家好，今天我们来深入探讨浏览器如何将 CSS 转换为渲染树并最终计算出每个节点的样式。这是一个涉及多个步骤的复杂过程，理解它对于优化网页性能至关重要。我们将从 CSS 的解析开始，逐步深入到渲染树的构建和样式计算。

1. CSS 解析（CSS Parsing）

首先，浏览器需要解析 CSS 规则，无论是内联样式、内部样式表（<style>标签）还是外部样式表（.css文件）。这个过程可以将 CSS 规则转换成浏览器可以理解的数据结构。

词法分析（Lexical Analysis）：
词法分析器（Tokenizer）读取 CSS 字符串，将其分解成一系列的 Token。Token 是 CSS 语法的基本单元，例如：关键字（color、font-size）、标识符（body、#header）、运算符（:、;、{、}）、数值（16px、2.5em）、字符串（"Helvetica"）等。

例如，对于 CSS 规则 body { color: blue; font-size: 16px; }，词法分析器会生成如下 Token 序列：

Token 类型值

IDENT body

DELIM {

IDENT color

DELIM :

IDENT blue

DELIM ;

IDENT font-size

DELIM :

DIMENSION 16px

DELIM ;

DELIM }
语法分析（Syntax Analysis）：
语法分析器（Parser）接收 Token 序列，并根据 CSS 语法规则构建抽象语法树（Abstract Syntax Tree, AST）。AST 是一种树形结构，用于表示 CSS 代码的语法结构。AST 的根节点代表整个样式表，子节点代表规则集（Rule Set）、选择器（Selector）、声明（Declaration）等。

例如，上面 CSS 规则对应的简化版 AST 结构如下：
```
Stylesheet
└── RuleSet
    ├── Selector: body
    └── Declaration Block
        ├── Declaration: color: blue
        └── Declaration: font-size: 16px
```
在浏览器内部，AST 通常会转换成更易于处理的数据结构，例如 CSSOM（CSS Object Model）。CSSOM 是 CSS 的对象表示，允许 JavaScript 动态访问和修改 CSS 样式。

Token 类型	值
IDENT	body
DELIM	{
IDENT	color
DELIM	:
IDENT	blue
DELIM	;
IDENT	font-size
DELIM	:
DIMENSION	16px
DELIM	;
DELIM	}

2. 样式表的级联（Cascading Stylesheets）

浏览器会加载并解析多个样式表，包括：

浏览器默认样式表（User Agent Stylesheet）
用户自定义样式表（User Stylesheet）
页面作者样式表（Author Stylesheet）：内联样式、内部样式表、外部样式表

级联是指浏览器根据一定的规则，合并来自不同来源的样式声明，确定最终应用于元素的样式。这些规则包括：

重要性（Importance）： !important 声明的样式优先级最高。
来源（Origin）： 作者样式 > 用户样式 > 浏览器默认样式。
特异性（Specificity）： 选择器的特异性越高，优先级越高。
顺序（Order）： 在源代码中，后出现的样式优先级较高。

特异性计算

特异性是衡量选择器匹配程度的指标，由四个部分组成：a, b, c, d。

a: 内联样式（style 属性）的数量，如果有则为 1，否则为 0。
b: ID 选择器（#id）的数量。
c: 类选择器（.class）、属性选择器（[attr]）、伪类选择器（:hover）的数量。
d: 元素选择器（element）、伪元素选择器（::before）的数量。

例如：

选择器	特异性
`*`	0,0,0,0
`element`	0,0,0,1
`.class`	0,0,1,0
`#id`	0,1,0,0
`element.class`	0,0,1,1
`#id.class`	0,1,1,0
`element#id.class[attr]`	0,1,2,2
`style="...`	1,0,0,0
`!important`	无穷大

3. 渲染树构建（Render Tree Construction）

在解析完 HTML 和 CSS 之后，浏览器开始构建渲染树（Render Tree）。渲染树是一个与 DOM 树类似的树形结构，但它只包含需要渲染的可见元素。例如，display: none 的元素不会出现在渲染树中。

DOM 树（Document Object Model）：
DOM 树是 HTML 文档的树形表示，由 HTML 解析器生成。它包含了文档中的所有元素、属性和文本节点。
渲染树的生成：
渲染树的构建过程遍历 DOM 树，并根据 CSS 样式决定哪些节点需要添加到渲染树中。对于每个可见的 DOM 节点，浏览器会创建一个对应的渲染对象（Render Object）。渲染对象包含了节点的样式信息、几何信息（位置、大小）以及绘制方法。

渲染树的生成过程可以概括为以下步骤：
1. 遍历 DOM 树。
2. 对于每个 DOM 节点，检查其 display 属性。如果 display 值为 none，则忽略该节点及其子节点。
3. 对于可见的 DOM 节点，创建一个对应的渲染对象。
4. 将渲染对象添加到渲染树中，作为其父节点的子节点。
5. 重复以上步骤，直到遍历完整个 DOM 树。

4. 样式计算（Style Computation）

样式计算是指为渲染树中的每个节点计算出最终的样式值。这个过程涉及到以下几个步骤：

声明值（Declared Values）：
声明值是指在样式表中显式声明的属性值。例如，color: blue 中的 blue 就是 color 属性的声明值。
层叠值（Cascaded Values）：
层叠值是指经过级联算法处理后，应用于元素的样式声明值。如果多个样式表都声明了同一个属性，层叠算法会根据重要性、来源、特异性和顺序等规则，选择一个声明值作为层叠值。
指定值（Specified Values）：
指定值是指经过继承和默认值处理后，应用于元素的属性值。如果一个属性没有在样式表中声明，浏览器会检查该属性是否可以继承。如果可以继承，则使用父元素的计算值作为子元素的指定值。如果不能继承，则使用该属性的初始值。
计算值（Computed Values）：
计算值是指经过解析、转换和标准化处理后的属性值。例如，font-size: 16px 中的 16px 是一个相对值，浏览器会将其转换为绝对值（例如，16px）。计算值通常是绝对值，可以用于布局和绘制。
使用值（Used Values）：
使用值是指布局完成后，实际用于渲染元素的属性值。例如，width: auto 的计算值可能仍然是 auto，但在布局完成后，浏览器会根据元素的上下文计算出一个具体的宽度值作为使用值。
实际值（Actual Values）：
实际值是指最终应用于元素的属性值。在某些情况下，使用值可能无法直接应用于元素，例如，当浏览器不支持某种颜色时，会使用最接近的颜色作为实际值。

示例：样式计算过程

假设有以下 HTML 和 CSS 代码：

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>Style Calculation Example</title>
  <style>
    body {
      font-size: 16px;
      color: black;
    }
    p {
      color: blue;
      margin-top: 10px;
    }
    .highlight {
      color: green !important;
    }
  </style>
</head>
<body>
  <p class="highlight" style="font-size: 1.2em;">This is a paragraph.</p>
</body>
</html>

对于 <p> 元素，样式计算过程如下：

声明值：
- color: blue (来自内部样式表)
- color: green !important (来自 .highlight 类)
- font-size: 1.2em (来自内联样式)
- margin-top: 10px (来自内部样式表)
- font-size: 16px (来自 body 元素，会被内联样式覆盖)
- color: black (来自 body 元素，会被其他声明覆盖)
层叠值：
- color: green !important (因为 !important 优先级最高)
- font-size: 1.2em
- margin-top: 10px
指定值：
- color: green
- font-size: 1.2em
- margin-top: 10px
计算值：
- color: rgb(0, 128, 0) (将 green 转换为 RGB 值)
- font-size: 19.2px (假设 body 的 font-size 为 16px，则 1.2em 转换为 16px * 1.2 = 19.2px)
- margin-top: 10px
使用值：
- color: rgb(0, 128, 0)
- font-size: 19.2px
- margin-top: 10px
实际值：
- color: rgb(0, 128, 0)
- font-size: 19.2px
- margin-top: 10px

5. 布局（Layout）

布局是指计算渲染树中每个节点的几何信息（位置、大小）。这个过程也称为回流（Reflow）。布局引擎会根据 CSS 样式、DOM 结构和视口大小，计算出每个元素在页面上的确切位置和大小。

布局过程是一个递归的过程，从根节点开始，依次计算每个子节点的位置和大小。布局引擎需要考虑各种因素，例如：

盒模型（Box Model）：内容区域（content）、内边距（padding）、边框（border）和外边距（margin）。
定位（Positioning）：静态定位（static）、相对定位（relative）、绝对定位（absolute）和固定定位（fixed）。
浮动（Float）：float: left 和 float: right。
Flexbox 和 Grid 布局：现代 CSS 布局模型。

6. 绘制（Painting）

绘制是指将渲染树中的每个节点绘制到屏幕上。这个过程也称为重绘（Repaint）。绘制引擎会遍历渲染树，并根据每个节点的样式信息，将其绘制到屏幕上。

绘制过程涉及到以下几个步骤：

填充背景颜色（background-color）。
绘制背景图片（background-image）。
绘制边框（border）。
绘制内容（text、images 等）。
应用透明度（opacity）。

代码示例：模拟简单的 CSS 解析和样式计算

以下是一个简化的 JavaScript 示例，用于模拟 CSS 解析和样式计算的过程：

// 简化版 CSS 解析器
function parseCSS(cssString) {
  const rules = {};
  const ruleSets = cssString.split('}');

  ruleSets.forEach(ruleSet => {
    const parts = ruleSet.split('{');
    if (parts.length === 2) {
      const selector = parts[0].trim();
      const declarations = parts[1].trim().split(';');

      const styles = {};
      declarations.forEach(declaration => {
        const [property, value] = declaration.split(':').map(s => s.trim());
        if (property && value) {
          styles[property] = value;
        }
      });
      rules[selector] = styles;
    }
  });

  return rules;
}

// 简化版样式计算器
function computeStyle(element, cssRules) {
  const computedStyle = {};
  for (const selector in cssRules) {
    if (element.matches(selector)) { // 使用 matches API 检查元素是否匹配选择器
      const styles = cssRules[selector];
      for (const property in styles) {
        computedStyle[property] = styles[property];
      }
    }
  }
  return computedStyle;
}

// 示例用法
const css = `
  body {
    font-size: 16px;
    color: black;
  }
  p {
    color: blue;
    margin-top: 10px;
  }
  .highlight {
    color: green;
  }
`;

const parsedCSS = parseCSS(css);
console.log("Parsed CSS:", parsedCSS);

const paragraph = document.querySelector('p.highlight'); //  <p class="highlight">
const computedStyle = computeStyle(paragraph, parsedCSS);
console.log("Computed Style for paragraph:", computedStyle);

代码解释：

parseCSS(cssString) 函数：将 CSS 字符串解析成一个 JavaScript 对象，其中键是选择器，值是样式声明的对象。
computeStyle(element, cssRules) 函数：遍历解析后的 CSS 规则，检查元素是否匹配选择器。如果匹配，则将样式应用于元素。element.matches(selector) 使用了浏览器的原生 API 来进行选择器匹配。
示例用法：创建了一个 <p> 元素，并使用解析后的 CSS 规则计算其样式。

总结：渲染过程的关键步骤

浏览器将 CSS 转换为渲染树计算节点是一个复杂而精细的过程，包括 CSS 解析、样式级联、渲染树构建、样式计算、布局和绘制等多个步骤。深入理解这个过程有助于我们更好地优化网页性能，提升用户体验。通过编写高效的 CSS 代码，避免不必要的重排和重绘，可以显著提高网页的渲染速度。

浏览器 CSS 渲染树计算节点解析

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