浏览器工作原理与实践
李兵
前盛大创新院高级研究员
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开篇词 (1讲)
开篇词 | 参透了浏览器的工作原理,你就能解决80%的前端难题
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宏观视角下的浏览器 (6讲)
01 | Chrome架构:仅仅打开了1个页面,为什么有4个进程?
02 | TCP协议:如何保证页面文件能被完整送达浏览器?
03 | HTTP请求流程:为什么很多站点第二次打开速度会很快?
04 | 导航流程:从输入URL到页面展示,这中间发生了什么?
05 | 渲染流程(上):HTML、CSS和JavaScript,是如何变成页面的?
06 | 渲染流程(下):HTML、CSS和JavaScript,是如何变成页面的?
浏览器中的JavaScript执行机制 (5讲)
07 | 变量提升:JavaScript代码是按顺序执行的吗?
08 | 调用栈:为什么JavaScript代码会出现栈溢出?
09 | 块级作用域:var缺陷以及为什么要引入let和const?
10 | 作用域链和闭包 :代码中出现相同的变量,JavaScript引擎是如何选择的?
11 | this:从JavaScript执行上下文的视角讲清楚this
V8工作原理 (3讲)
12 | 栈空间和堆空间:数据是如何存储的?
13 | 垃圾回收:垃圾数据是如何自动回收的?
14 | 编译器和解释器:V8是如何执行一段JavaScript代码的?
浏览器中的页面循环系统 (6讲)
15 | 消息队列和事件循环:页面是怎么“活”起来的?
16 | WebAPI:setTimeout是如何实现的?
17 | WebAPI:XMLHttpRequest是怎么实现的?
18 | 宏任务和微任务:不是所有任务都是一个待遇
19 | Promise:使用Promise,告别回调函数
20 | async/await:使用同步的方式去写异步代码
浏览器中的页面 (8讲)
21 | Chrome开发者工具:利用网络面板做性能分析
22 | DOM树:JavaScript是如何影响DOM树构建的?
23 | 渲染流水线:CSS如何影响首次加载时的白屏时间?
24 | 分层和合成机制:为什么CSS动画比JavaScript高效?
25 | 页面性能:如何系统地优化页面?
26 | 虚拟DOM:虚拟DOM和实际的DOM有何不同?
27 | 渐进式网页应用(PWA):它究竟解决了Web应用的哪些问题?
28 | WebComponent:像搭积木一样构建Web应用
浏览器中的网络 (3讲)
29 | HTTP/1:HTTP性能优化
30|HTTP/2:如何提升网络速度?
31|HTTP/3:甩掉TCP、TLS 的包袱,构建高效网络
浏览器安全 (5讲)
32 | 同源策略:为什么XMLHttpRequest不能跨域请求资源?
33 | 跨站脚本攻击(XSS):为什么Cookie中有HttpOnly属性?
34 | CSRF攻击:陌生链接不要随便点
35 | 安全沙箱:页面和系统之间的隔离墙
36 | HTTPS:让数据传输更安全
结束语 (1讲)
结束语 | 大道至简
课外加餐 (4讲)
加餐一|浏览上下文组:如何计算Chrome中渲染进程的个数?
加餐二|任务调度:有了setTimeOut,为什么还要使用rAF?
加餐三|加载阶段性能:使用Audits来优化Web性能
加餐四|页面性能工具:如何使用Performance?
浏览器工作原理与实践
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开篇词 | 参透了浏览器的工作原理,你就能解决80%的前端难题

李兵 2019-08-05
00:00
13:31
讲述:李兵 大小:12.39M
你好,我是李兵,现在是一名创业者,也是一名工程师。
我是 2005 年开始工作的,基于对新技术的兴趣与敏感性,2008 年 Chromium 项目一开源,我便第一时间下载体验。随后,在创业阶段的我基于 Chromium 和 IE 发布了一款双核浏览器:太阳花。
这是国内第一款双核浏览器,使用它,除了能享受到 Chrome 的快捷之外,还能兼容只支持 IE 的站点。开发过程中最大的挑战是如何在 Chromium 中集成 IE 模块,为此我花了大量时间来研究 Chromium 的进程架构以及渲染流程,好在功夫不负有心人,最终发布的产品也很对得起我的努力,在没有任何宣传的情况下,日活达到了 20 多万。
在 2011 年,我就去了盛大创新院,参与研发 WebOS 项目。WebOS 的愿景是基于 WebKit 内核打造一个能和安卓并存的操作系统。我在团队中负责 HTML5 特性的实现,比如实现 Web Workers、Application Cache、LocalStorage、IndexedDB、CSS3 部分动画效果等。这些工作经历让我对浏览器的整个渲染流程,以及 HTML5 的发展趋势有了更加深入的认知。不过遗憾的是,这个项目没能最终上线。
再之后,我去了顺网科技。顺网科技是一家网吧服务提供商,在顺网我和团队打造了一款给全国网吧使用的“F1 浏览器”,日启量达到 2000 万。由于网吧的电脑环境异常复杂,页面劫持经常发生,所以对页面安全提出来更高的要求;再加上每天千万级别的启动量,所以页面的加载速度和流畅度也至关重要,它们直接决定了用户的流失程度。这段工作经历,让我对浏览器安全有了全新的理解,同时又对页面性能的优化有了系统性的认知。
算下来,我已经处在这个领域从业十余年,这过程中我踩过不少坑,也积累了不少经验,成长很多。从今天起,我会借此机会将我的工作经验分享给你,希望能对你的工作或生活有所帮助,让你学有所得、学有所用。

对于应用,浏览器的地位一直很重要

1995 年,美国网景公司因“网景浏览器”的发布而快速崛起,之后网景试图开发一个依靠浏览器的网络操作系统。这引起了微软的注意和警惕,于是同年微软发布 Windows 95,并捆绑了 IE,大获成功,到 2002 年,微软就已经占据了浏览器市场 80% 的份额。
直到 2008 年 Chrome 浏览器横空出世,这种垄断局面才算被打破。Chrome 浏览器完全颠覆了之前浏览器的架构设计,在速度和安全性上占据了绝对优势,市场份额占比剧增(据 StatCounter 2019 年的统计数据显示,Chrome 占据了 63% 市场份额)。在 2010 年底,Google 还推出了一款网络操作系统——ChromeOS。
可以看到,浏览器自诞生之日起,其地位就一直很重要,而且这种重要性还在不断加强。我从浏览器的发展历程中梳理出了三个大的进化路线,希望能让你了解目前的 Web 应用到底能做什么,以及未来能适用于那些新领域
第一个是应用程序 Web 化。随着云计算的普及和 HTML5 技术的快速发展,越来越多的应用转向了浏览器 / 服务器(B/S)架构,这种改变让浏览器的重要性与日俱增,视频、音频、游戏几大核心场景也都在往 Web 的使用场景切换。
第二个是 Web 应用移动化。对于移动设备应用,Web 天生具有开放的基因,虽然在技术层面还有问题尚待解决(比如,渲染流程过于复杂且性能不及原生应用、离线时用户无法使用、无法接收消息推送、移动端没有一级入口),但 Google 推出了 PWA 方案来整合 Web 和本地程序各自的优势。顺便说一句,PWA 也是我个人非常期待的方案。
第三个是 Web 操作系统化。在我看来,Web 操作系统有两层含义:一是利用 Web 技术构建一个纯粹的操作系统,如 ChromeOS;二是浏览器的底层结构往操作系统架构方向发展,在整个架构演化的大背景下会牵涉诸多改变,下面列举一些我认为相对重要的改变。
Chrome 朝着 SOA 的方向演化,未来很多模块都会以服务的形式提供给上层应用使用;
在浏览器中引入多种编程语言的支持,比如新支持的 WebAssembly;
简化渲染流程,使得渲染过程更加直接高效;
加大对系统设备特性的支持;
提供对复杂 Web 项目开发的支持。
也就是说,浏览器已经逐步演化成了操作系统之上的“操作系统”

为什么需要学习浏览器工作原理?

前面我站在大厂的视角,带你回顾了浏览器的发展历程,梳理了浏览器的进化路线,分析了浏览器发展的大趋势。那接下来,我们再一起看看,开发者为什么需要了解浏览器的工作原理。

1. 准确评估 Web 开发项目的可行性

随着 Web 特性的极大丰富和浏览器性能的提升,越来越多的项目可以用 Web 来开发。所以,了解浏览器是如何工作的,能够让你更加准确地决策是否可以采用 Web 来开发项目。
举个例子,去年我做了一个健身房虚拟教练项目,时间紧,任务重,其中有大量的高速渲染动画和快速交互的场景需求。如果采用传统的 C++ 来开发界面,那基本上不可能按时交付,而且后期的维护也会非常麻烦。于是我决定采用 Web 方案来开发界面,因为采用 Web 方案可以降低开发成本,缩短交付周期。最终利用这个方案,我实现了这个项目的提前交付,并且效果也很喜人,大家对实现的效果非常满意。
对于这个例子,我认为我所做的最正确的事就是选对了方案,但反过来想,如果我对浏览器和 HTML5 的内容不了解,那可能我很容易就放弃了这个最优方案。

2. 从更高维度审视页面

作为一名合格的开发者,你还要具备一项重要的技能,那就是:要能站在用户体验角度来考虑页面性能。我们看下面几个常见的用户体验指标。
当用户请求一个网站时,如果在 1 秒内看不到关键内容,用户会产生任务被中断的感觉。
当用户点击某些按钮时,如果 100ms 内无法响应,用户会感受到延迟。
如果 Web 中的动画没有达到 60fps,用户会感受到动画的卡顿。
这里的页面加载时长、用户交互反馈时长、Web 动画中的帧数都决定了用户体验的流畅度,并最终决定了用户体验的效果。在用户体验尤其重要的今天,我们必须能够有效地解决这些体验问题,以免给产品造成不可挽回的伤害。
但通常,这些指标是由一系列的复杂因素导致的。如果你要开发流畅的页面,或者诊断 Web 页面中的性能问题,那你就需要了解 URL 是怎么变成页面的,只有弄懂这些之后,你才可以站在全局的角度定位问题或者写出高效的代码。
你当然可以把浏览器看成一个黑盒,左边输入一个 URL,经过黑盒处理之后,右边返回你预期的效果。如果你对黑盒一无所知,你倒依然可以写前端代码,也可以使用很多最佳实践的策略来优化代码,这就如同不了解操作系统的工作原理同样可以在操作系统上写应用一样。
但如果你理解了这个黑盒子是如何工作的,那情况就不同了。你可以站在更高的维度审视你的项目,通过全视野快速定位项目中不合理的地方。比如,首屏的显示就涉及了 DNS、HTTP、DOM 解析、CSS 阻塞、JavaScript 阻塞等技术因素,其中一项没处理好就可能导致整个页面的延时。
而如果你了解了浏览器的工作原理,更加可以把这些知识点串成线,连成网,最终形成自己的知识体系,练就像专家一样思考问题、解决问题的能力。

3. 在快节奏的技术迭代中把握本质

从 2011 年到现在,前端技术出现了大爆炸式增长,各种新技术层出不穷。我认为 Node.js 是前端发展的一个核心推动力。Node.js 是基于 Chrome 的 JavaScript 引擎 V8 来实现的,它的特点是可以脱离浏览器环境来执行 JavaScript,于是大家惊讶地发现,原来也可以使用 JavaScript 写服务器程序呀!
尽管 Node.js 的诞生时间不长,但其周边已经形成了一个庞大的生态系统。与此同时,各种新标准、新技术纷至沓来,前端生态空前繁荣。
为什么 Node.js 能如此快速地发展?根本原因还是浏览器功能以及整个前端的开发环境,不足以支撑日益增长的需求,所以“变化”是这段时期的主旋律。这种变化直接扩大了前端工程师的知识半径,这也导致很多前端开发工程师变成了爆栈工程师
虽然前端技术变化快,不过我觉得这里有更大的机遇,谁能快速抓住变化,谁就能收获这波变化带来的红利。
我相信,随着脚本执行效率的提高、页面渲染性能的提升和开发工具链的完善,接下来的前端会进入一个相对平稳的阶段。通俗地理解就是:等到核心技术足以支撑核心需求,那么前端生态会进入一个相对稳定的状态
如果了解了浏览器的工作机制,那么你可以梳理出来前端技术的发展脉络,更加深刻地理解当前的技术,同时你也会清楚其不足之处,以及演化方向。那么接下来,我们看看前端技术是如何针对这些核心诉求做演进的?
首先是脚本执行速度问题。比如针对 JavaScript 设计缺陷和执行效率的问题,可以从以下两个途径去解决:
不断修订和更新语言本身,这样你就应该知道 ES6、ES7、ES8,或者 TypeScript 出现的必要性。这种修订对目前生态环境的改动是最小的,所以推行起来会比较容易。
颠覆性地使用新的语言,这就是 WebAssembly 出现的原因。WebAssembly 需要经过编译器编译,所以体积小、执行速度快,使用它能大幅提升语言的执行效率,但是语言本身的完善,和生态的构建都是需要花很长时间来打造的。
其次是前端模块化开发。比如,随着 Web 应用在各个领域的深入,Web 工程的复杂程度也越来越高,这就产生了模块化开发的需求,于是相应出现了 WebComponents 标准。我们所熟悉的 React 和 Vue 都在渐进地适应 WebComponents 标准,同时各种前端框架的最佳实践也会反过来影响 WebComponents 标准的制定。
如果理解了浏览器工作原理,那么你会对 WebComponents 中涉及的 Shadow DOM、HTML Templates 等技术有更深刻的理解。
最后是渲染效率问题。同样,如果理解浏览器的渲染流程,那么你应该知道目前页面的渲染依然存在很大缺陷,然后你就清楚如何避开这些问题,从而开发出更加高效的 Web 应用。与此同时,Chrome 团队也在着手改善这些缺陷,比如正在开发的下一代布局方案 LayoutNG,还有渲染瘦身方案 Slim Paint,其目的都是让渲染变得更加简单和高效。
综上可以看出,触发这些改变的背后因素是当前技术制约了现实的需求,所以了解浏览器是如何工作的,能让你站在更高维度去理解前端

专栏内容

所以,我希望通过这个专栏的学习,能让你系统地掌握浏览器工作原理,并把理论应用到前端实践。
下面就是这个专栏的目录,通过它你可以快速了解下这个专栏的知识体系结构。

总结

我希望通过这个专栏的学习,能让你重新认识浏览器,并把网络、页面渲染、JavaScript、浏览器安全等知识串联起来,从而让你对整个前端体系有全新的认识。同时,我会保证用最简单通俗的语言把复杂的问题讲清楚,这也意味着我会在本专栏上花更多时间,所以也希望你能和我一起加油,高质量学完本专栏。
最后我给你留个思考题吧:你认为现代的前端工程师需要具备哪些核心的基础技能呢?
欢迎你把你的想法写到留言区,我们一起来交流和探讨,共同进步。
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精选留言(49)

  • Geek_0b75a1
    会有实际操作环节吗?原理再多也没有自己走一遍来的深刻

    作者回复: 会有很多章节来讲实践的

    2019-08-05
    21
  • XIAOXIN
    请问老师:学习这门课程需要什么基础?是掌握JavaScript的基础知识就行,还是有其它具体的要求呢?

    作者回复: 其实有部分JavaScript基础就可以来学了,涉及到的一些主要的概念我都会在文章做相关介绍。
    比如下一篇我会先介绍进程和线程,再介绍浏览器的进程架构。
    再比如后续的讲堆栈,队列相关的类容,我都会先介绍基础的数据结构的用法,再详细介绍相关内容。
    讲网络我会先介绍TCP/IP协议。
    讲V8执行原理时,我也会先科普一些编译原理的基础知识。

    以上说的这些基础知识都不难,所以不需要担心学不了,我最期望的大家能通过这门课程的学习,把一个工程师需要的知识体系结构都搭建起来。

    2019-08-05
    12
  • 许童童
    为老师打Call,前端工程师首先的定位应该是一名工程师,计算机科学基础一定要打牢。

    作者回复: 非常赞同

    2019-08-05
    9
  • 业余草
    谁能快速抓住变化,谁就能收获这波变化带来的红利。作为一个公众号号主,我深有体会!

    作者回复: 👍

    2019-08-06
    8
  • 七月有风
    听了两节,讲的跟清楚,很容易理解。老师,能不能增加canvas2D渲染或动画渲染当年的内容,这是个涉及性能方面的问题,平时开发碰到的比较多。3D基于webGl,由GPU渲染,比较好理解,而2D根据不同的浏览器,有的会有GPU加速,这个不太好理解。

    作者回复: GPU加速会讲,不过具体到canvas和webGL暂时没计划讲

    2019-08-06
    6
  • 刘汇源
    老师,问下,浏览器这块有沒有沒比较细且可以参考的书籍

    作者回复: 目前我知道的只有一本是朱永盛老师的《webkit技术内幕》 14年出版的

    2019-08-06
    3
    5
  • °半月含雪雨
    我觉得前端工程师主要是利用UI层来展示一些数据和承载交互。但是要是能快速产生利润,前端的项目工程化是一个很重要方面。html,CSS和js做为公认的技能很显然不是一个现在前端工程师的核心技能,而是一个必会技能,核心技能说明了前端的核心竞争力,那么工程化对应的nodejs应该是核心技能。做为主要用到的渲染工具:浏览器也是前端的重头戏。那么提到浏览器就不得说数据结构和算法,无论是http协议这种数据结构还是dom树这种数据结构,都是前端所必须要掌握的。如果说还有技能树需要点亮的话,图形学在前端对应的webgl,canvas,glsl等就又是一片天地了。

    作者回复: 👍

    2019-08-05
    1
    5
  • Geek
    Firefox的Geoko和Chrome的webkit有没有什么区别啊?

    作者回复: 这里要纠正一下,目前Chrome的排版引擎是Blink,Blink是从Webkit分支独立出来的,起初和Webkit基本是一样的,但是随着Google在Blink上的发力,目前的差异已经非常大了。
    其实站在大的结构层面来看,Blink,WebKit , Gecko三者的渲染流水线基本是类似的,只是一些术语有些不同。
    但是落实到具体实现层面来看,差别就很大了,如JS引擎的实现,排版过程,绘制过程等都有很大差异。

    2019-08-05
    5
  • zeke
    之前在浏览器内核部门工作 全部门就我一个前端 但我感觉全部门都比我懂前端

    作者回复: 因为他们的知识框架比较完整,各种概念理解起来会很轻松,我们这个专栏很大一部分就是在搭框架

    2019-09-07
    3
  • Grow
    古人云: 不谋万世者,不足谋一时;不谋全局者,不足谋一域!
    想把写出优质的页面,就得了解浏览器工作原理!

    作者回复: 回答的透彻👍

    2019-11-19
    2
  • Jaswine
    我是做JavaWeb开发的,对于前端的技术不是很精通。有段时间我手头没活,又有一个业务要做GIS(不是调调百度,高德API的那种),要写WebGIS,想着没事我就试试。使用的是ArcGIS的JS API做的,其中有一个地方可难坏我了,在页面上加载了40W的点位,瞬间页面就卡顿了,但是没有好的优化方案,看JS APi的源代码,最后我觉得还是不明白浏览器渲染这些知识,毕竟浏览器是前端的宿主环境,了解浏览器对于提高前端技术能力我觉得是蛮重要的。

    看到老师出了一个这个专栏,直接订阅了。

    作者回复: 谢谢

    2019-08-15
    2
    2
  • 伪装
    老师尝试过用rust去写一些东西吗

    作者回复: 用rust写过WebAssembly

    2019-08-06
    1
    2
  • hk
    老师你好,我想问下浏览器获取服务端响应的set-cookie 后,浏览器请求里的cookie是调用了浏览器本身内置的方法写进去的吗?

    作者回复: 是啊,你可以把http响应头看成是服务器和浏览器对话的语言,

    响应头中的set-cookie字段就是告诉浏览器:“hi,浏览器,帮我把这段Cookie写到本地去”!

    所以浏览器在接收set-cookie后,就会将cookie写到本地!

    2019-10-21
    1
  • ljf10000
    老师哪里人?音频课,L都发音为N,我听了半天才听明白

    作者回复: 安徽安庆人,这两个音的确发不清楚

    2019-10-10
    1
    1
  • sunzhiqi
    看了很多高手的课,觉得真正牛逼的前端都是其他底层语言转过来的。其他专业转到前端领域,牛逼的其实很少。
    2019-08-27
    1
  • jefferylan
    怎么没有看到路由机制和local storage,session和等管理?
    2019-08-26
    1
  • 易风
    前端具备技能
    1. 自我驱动学习能力
    2. 自我解决问题的能力
    3. 前端三大技能 css、html、js基础要扎实
    2019-08-19
    1
  • 东丰瑞雪建华年
    个人拙见:
    html:深刻理解语义标签,方便内容提取的标签,方便爬虫的标签,以及无障碍属性等。
    css: 编译语言sass,less,常见响应式布局:栅格、flex。业界典型的框架bootstrap、bulma、Material
    js: modular思想,spa思想,跨平台js代码的编写,以及打包工具
    test:单元测试,ui测试
    用户交互体验,数据可视化

    作者回复: 赞

    2019-08-08
    1
  • 业余爱好者
    浏览器是一个披着应用程序外衣的小型操作系统

    作者回复: 赞

    2019-08-06
    1
  • 惜心(伟祺)
    老师会讲blink嘛 或者把blink拨出来 单独做api用 目前碰到这样需求 期待老师讲部分这方面内容

    作者回复: 是要拿blink做二次开发吗?

    2019-08-06
    2
    1
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