浏览器样式计算树与布局树的构建：一场深度解析
大家好！今天，我们将深入探讨浏览器渲染引擎中的两个关键数据结构：样式计算树（Computed Style Tree）和布局树（Layout Tree）。理解它们的构建时机、依赖关系以及它们在渲染流程中的作用，对于优化网页性能至关重要。
一、渲染引擎概览：从HTML到像素
在深入讨论样式计算树和布局树之前，我们先简单回顾一下浏览器的渲染流程。一个简化的渲染流程可以大致分为以下几个阶段：
-
HTML解析（Parsing）： 浏览器解析HTML文档，构建DOM树（Document Object Model）。
-
样式计算（Style Calculation）： 浏览器解析CSS样式，计算每个DOM节点的最终样式，生成样式计算树。
-
布局（Layout）： 浏览器根据DOM树和样式计算树，计算每个元素在页面上的确切位置和大小，生成布局树。
-
绘制（Painting）： 浏览器遍历布局树，将每个元素绘制到屏幕上。
-
合成（Compositing）： 浏览器将绘制的不同图层合成为最终的图像，显示在屏幕上。
今天，我们将重点关注第二步和第三步：样式计算和布局。
二、样式计算树：样式规则的最终裁决
样式计算树，也称为Computed Style Tree，是DOM树和CSS样式规则结合的产物。它为DOM树中的每个节点都关联了最终生效的样式信息。这个过程涉及多个步骤，包括：
-
查找匹配的CSS规则： 浏览器根据CSS选择器，找到与DOM节点匹配的CSS规则。这个过程涉及到CSS选择器的优先级、层叠规则和继承规则。
-
层叠（Cascading）： 浏览器根据CSS规则的优先级和来源（例如，用户样式表、作者样式表、浏览器默认样式表），确定每个属性的最终值。
-
继承（Inheritance）： 某些CSS属性（例如，
color、font）可以从父元素继承到子元素。 -
解析值（Resolving Values）： 浏览器将CSS属性的值解析为浏览器可以理解的具体值。例如，将
em、rem等相对单位转换为像素值。 -
转换值（Converting Values）： 浏览器将CSS属性的值转换为渲染引擎可以使用的格式。例如，将颜色值转换为RGB或RGBA格式。
样式计算的时机：
样式计算通常在DOM树构建完成后，并且在首次渲染之前进行。但并非一成不变，样式计算可能在以下情况下触发：
- 首次渲染： 当DOM树构建完成后，浏览器会触发样式计算，生成样式计算树。
- 样式表变更： 当CSS样式表被修改（例如，通过JavaScript修改
style属性或添加/删除<link>标签）时，浏览器会重新进行样式计算。 - DOM树变更： 当DOM树被修改（例如，添加、删除或移动DOM节点）时，浏览器可能会重新进行样式计算，特别是当修改影响到样式规则的匹配时。
- 伪类状态改变： 当元素的伪类状态改变（例如，
:hover、:active）时，浏览器会重新进行样式计算。
代码示例：
假设我们有以下HTML代码：
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>样式计算示例</title>
<style>
body {
font-family: Arial, sans-serif;
color: black;
}
h1 {
color: blue;
}
p {
font-size: 16px;
}
.highlight {
background-color: yellow;
}
</style>
</head>
<body>
<h1>这是一个标题</h1>
<p>这是一个段落，<span class="highlight">包含一些高亮文本</span>。</p>
</body>
</html>以及以下对应的DOM树（简化版）：
Document
|- html
|- head
|- title
|- style
|- body
|- h1
|- "这是一个标题"
|- p
|- "这是一个段落，"
|- span.highlight
|- "包含一些高亮文本"
|- "."那么，样式计算树中，每个节点可能会关联到以下样式信息（简化版）：
| 节点 | 样式信息 |
|---|---|
body |
font-family: Arial, sans-serif; color: black; |
h1 |
font-family: Arial, sans-serif; color: blue; (覆盖了body的color属性) |
p |
font-family: Arial, sans-serif; color: black; font-size: 16px; (继承了body的font-family和color属性) |
span.highlight |
font-family: Arial, sans-serif; color: black; font-size: 16px; background-color: yellow; (继承了p的font-family、color和font-size属性，并添加了background-color属性) |
性能优化：
- 减少CSS规则的数量： 浏览器需要遍历所有的CSS规则才能找到匹配的规则，因此，减少CSS规则的数量可以提高样式计算的效率。
- 避免使用复杂的CSS选择器： 复杂的CSS选择器需要浏览器进行更多的计算才能找到匹配的DOM节点，因此，应尽量避免使用复杂的CSS选择器。
- 减少样式变更的频率： 每次样式变更都会触发重新计算样式，因此，应尽量减少样式变更的频率。可以使用
requestAnimationFrame来合并多个样式变更。 - 使用
will-change属性：will-change属性可以提前告知浏览器元素将要发生的变化，从而让浏览器可以提前进行优化。
三、布局树：精确的像素坐标
布局树（Layout Tree），也称为Render Tree或Frame Tree，是DOM树和样式计算树结合的产物。它表示了页面上每个可见元素的确切位置和大小。布局树只包含可见元素，这意味着display: none的元素不会出现在布局树中。
布局的过程：
布局的过程是一个递归的过程，从根元素开始，逐层计算每个元素的位置和大小。这个过程涉及到以下几个步骤：
-
确定根元素的位置和大小： 根元素通常是
<html>元素，它的位置和大小由浏览器窗口的大小决定。 -
计算每个元素的盒子模型： 浏览器根据CSS样式计算树中的样式信息，计算每个元素的盒子模型（content、padding、border、margin）。
-
处理浮动元素（Floats）： 浏览器根据
float属性，将浮动元素放置在指定的位置。 -
处理定位元素（Positioning）： 浏览器根据
position属性（static、relative、absolute、fixed、sticky），将定位元素放置在指定的位置。 -
计算文本行的位置和大小： 浏览器根据字体大小、行高和文本内容，计算文本行的位置和大小。
布局的时机：
布局通常在样式计算完成后，并且在首次绘制之前进行。布局也可能在以下情况下触发：
- 首次渲染： 当样式计算完成后，浏览器会触发布局，生成布局树。
- 窗口大小改变： 当浏览器窗口大小改变时，浏览器会重新进行布局，因为元素的位置和大小可能会受到影响。
- 元素位置或大小改变： 当元素的位置或大小改变（例如，通过JavaScript修改
style属性或添加/删除DOM节点）时，浏览器会重新进行布局。 - 滚动： 滚动可能会触发布局，特别是当滚动影响到固定定位的元素时。
- 内容改变： 元素的内容改变也可能触发布局，比如文字内容的增多，字体大小的改变等
代码示例：
假设我们有以下HTML代码：
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>布局示例</title>
<style>
body {
margin: 0;
}
.container {
width: 800px;
margin: 20px auto;
border: 1px solid black;
padding: 10px;
}
.box {
width: 200px;
height: 100px;
background-color: lightblue;
margin: 10px;
float: left;
}
</style>
</head>
<body>
<div class="container">
<div class="box">Box 1</div>
<div class="box">Box 2</div>
<div class="box">Box 3</div>
</div>
</body>
</html>以及对应的DOM树（简化版）和样式计算树（简化版）。那么，布局树中，每个节点可能会关联到以下位置和大小信息（简化版）：
| 节点 | 位置和大小信息（x, y, width, height） |
|---|---|
body |
(0, 0, 浏览器窗口宽度, 浏览器窗口高度) |
.container |
(浏览器窗口宽度/2 - 411, 20, 822, 122) (居中显示，考虑了margin和border) |
.box (Box 1) |
(浏览器窗口宽度/2 - 411 + 10, 20 + 10, 200, 100) (考虑了container的padding和自身的margin) |
.box (Box 2) |
(浏览器窗口宽度/2 - 411 + 10 + 220, 20 + 10, 200, 100) (考虑了上一个box的宽度和margin) |
.box (Box 3) |
(浏览器窗口宽度/2 - 411 + 10 + 440, 20 + 10, 200, 100) (考虑了前两个box的宽度和margin) |
性能优化：
- 避免强制同步布局（Forced Synchronous Layout）： 当JavaScript代码在修改DOM之后立即读取布局信息时，浏览器可能会被迫进行同步布局，这会导致性能问题。应尽量避免强制同步布局，可以将读取布局信息的操作放在下一个
requestAnimationFrame回调中。 - 减少布局的范围： 布局的范围是指需要重新计算布局的元素的范围。应尽量减少布局的范围，可以通过使用
transform属性来移动元素，因为transform属性不会触发布局。 - 使用
contain属性：contain属性可以告知浏览器元素的内容不会影响到其他元素，从而让浏览器可以进行更有效的优化。 - 避免频繁的DOM操作： 频繁的DOM操作会导致频繁的布局，因此，应尽量避免频繁的DOM操作。可以使用
DocumentFragment来批量修改DOM。
四、样式计算树与布局树的依赖关系
样式计算树和布局树之间存在着密切的依赖关系。布局树的构建依赖于样式计算树，因为布局需要知道每个元素的样式信息才能确定其位置和大小。
具体来说，布局过程需要用到样式计算树中的以下信息：
- 盒子模型： 布局需要知道每个元素的content、padding、border和margin的大小。
- 定位属性： 布局需要知道每个元素的
position属性，以及top、right、bottom和left属性的值。 - 浮动属性： 布局需要知道每个元素的
float属性。 - 显示属性： 布局需要知道每个元素的
display属性，display:none的元素不会出现在布局树中。 - 其他样式属性： 布局还需要用到其他样式属性，例如
width、height、font-size、line-height等。
依赖关系总结：
| 数据结构 | 依赖关系 |
|---|---|
| 样式计算树 | 依赖于DOM树和CSS样式规则。 |
| 布局树 | 依赖于DOM树和样式计算树。布局树的构建需要用到样式计算树中的样式信息，例如盒子模型、定位属性、浮动属性、显示属性和其他样式属性。 |
五、重排（Reflow）与重绘（Repaint）
理解样式计算树和布局树，有助于我们更好地理解重排（Reflow）和重绘（Repaint）这两个重要的概念。
-
重排（Reflow）： 当DOM结构或布局发生改变时，浏览器需要重新计算布局树，这个过程称为重排。重排是一个代价比较昂贵的操作，因为它需要重新计算所有受影响的元素的位置和大小。
-
重绘（Repaint）： 当元素的样式发生改变，但没有影响到布局时，浏览器只需要重新绘制该元素，这个过程称为重绘。重绘是一个代价相对较低的操作。
触发重排的因素：
- DOM结构的改变（添加、删除或移动DOM节点）
- 布局的改变（例如，修改元素的
width、height、margin、padding等属性） - 窗口大小的改变
- 滚动
- 内容改变（例如，修改文本内容）
- 读取某些布局信息（例如，
offsetWidth、offsetHeight、offsetTop、offsetLeft等）
触发重绘的因素：
- 样式的改变（例如，修改元素的
color、background-color、visibility等属性）
性能优化：
- 减少重排和重绘的次数： 重排和重绘是导致网页性能问题的主要原因之一，因此，应尽量减少重排和重绘的次数。
- 使用
transform属性：transform属性不会触发重排，因此，可以使用transform属性来移动元素。 - 使用
opacity属性：opacity属性只会触发重绘，不会触发重排，因此，可以使用opacity属性来实现动画效果。 - 使用
will-change属性：will-change属性可以提前告知浏览器元素将要发生的变化，从而让浏览器可以提前进行优化。 - 避免使用
table布局：table布局的性能通常比div布局差，因为它需要进行更多的计算。
六、总结：理解渲染流程，优化Web性能
我们深入探讨了浏览器渲染流程中的样式计算树和布局树。理解它们的构建时机、依赖关系以及它们在渲染流程中的作用，对于优化网页性能至关重要。通过减少CSS规则的数量、避免复杂的CSS选择器、减少样式变更的频率、避免强制同步布局、减少布局的范围、使用transform属性和opacity属性等方法，我们可以有效地提高网页的渲染性能。 掌握这些，对提升前端代码的性能会有所帮助。