浏览器环境概述

网道(WangDoc.com),互联网文档计划

JavaScript 是浏览器的内置脚本语言。也就是说,浏览器内置了 JavaScript 引擎,并且提供各种接口,让 JavaScript 脚本可以控制浏览器的各种功能。一旦网页内嵌了 JavaScript 脚本,浏览器加载网页,就会去执行脚本,从而达到操作浏览器的目的,实现网页的各种动态效果。

本章开始介绍浏览器提供的各种 JavaScript 接口。首先,介绍 JavaScript 代码嵌入网页的方法。

代码嵌入网页的方法 #

网页中嵌入 JavaScript 代码,主要有三种方法。

  • <script>元素直接嵌入代码。
  • <script>标签加载外部脚本
  • 事件属性
  • URL 协议

script 元素嵌入代码 #

<script>元素内部可以直接写 JavaScript 代码。

<script>
  var x = 1 + 5;
  console.log(x);
</script>

<script>标签有一个type属性,用来指定脚本类型。对 JavaScript 脚本来说,type属性可以设为两种值。

  • text/javascript:这是默认值,也是历史上一贯设定的值。如果你省略type属性,默认就是这个值。对于老式浏览器,设为这个值比较好。
  • application/javascript:对于较新的浏览器,建议设为这个值。
<script type="application/javascript">
  console.log('Hello World');
</script>

由于<script>标签默认就是 JavaScript 代码。所以,嵌入 JavaScript 脚本时,type属性可以省略。

如果type属性的值,浏览器不认识,那么它不会执行其中的代码。利用这一点,可以在<script>标签之中嵌入任意的文本内容,只要加上一个浏览器不认识的type属性即可。

<script id="mydata" type="x-custom-data">
  console.log('Hello World');
</script>

上面的代码,浏览器不会执行,也不会显示它的内容,因为不认识它的type属性。但是,这个<script>节点依然存在于 DOM 之中,可以使用<script>节点的text属性读出它的内容。

document.getElementById('mydata').text
//   console.log('Hello World');

script 元素加载外部脚本 #

<script>标签也可以指定加载外部的脚本文件。

<script src="https://www.example.com/script.js"></script>

如果脚本文件使用了非英语字符,还应该注明字符的编码。

<script charset="utf-8" src="https://www.example.com/script.js"></script>

所加载的脚本必须是纯的 JavaScript 代码,不能有HTML代码和<script>标签。

加载外部脚本和直接添加代码块,这两种方法不能混用。下面代码的console.log语句直接被忽略。

<script charset="utf-8" src="example.js">
  console.log('Hello World!');
</script>

为了防止攻击者篡改外部脚本,script标签允许设置一个integrity属性,写入该外部脚本的 Hash 签名,用来验证脚本的一致性。

<script src="/assets/application.js"
  integrity="sha256-TvVUHzSfftWg1rcfL6TIJ0XKEGrgLyEq6lEpcmrG9qs=">
</script>

上面代码中,script标签有一个integrity属性,指定了外部脚本/assets/application.js的 SHA256 签名。一旦有人改了这个脚本,导致 SHA256 签名不匹配,浏览器就会拒绝加载。

事件属性 #

网页元素的事件属性(比如onclickonmouseover),可以写入 JavaScript 代码。当指定事件发生时,就会调用这些代码。

<button id="myBtn" onclick="console.log(this.id)">点击</button>

上面的事件属性代码只有一个语句。如果有多个语句,使用分号分隔即可。

URL 协议 #

URL 支持javascript:协议,即在 URL 的位置写入代码,使用这个 URL 的时候就会执行 JavaScript 代码。

<a href="javascript:console.log('Hello')">点击</a>

浏览器的地址栏也可以执行javascipt:协议。将javascript:console.log('Hello')放入地址栏,按回车键也会执行这段代码。

如果 JavaScript 代码返回一个字符串,浏览器就会新建一个文档,展示这个字符串的内容,原有文档的内容都会消失。

<a href="javascript: new Date().toLocaleTimeString();">点击</a>

上面代码中,用户点击链接以后,会打开一个新文档,里面有当前时间。

如果返回的不是字符串,那么浏览器不会新建文档,也不会跳转。

<a href="javascript: console.log(new Date().toLocaleTimeString())">点击</a>

上面代码中,用户点击链接后,网页不会跳转,只会在控制台显示当前时间。

javascript:协议的常见用途是书签脚本 Bookmarklet。由于浏览器的书签保存的是一个网址,所以javascript:网址也可以保存在里面,用户选择这个书签的时候,就会在当前页面执行这个脚本。为了防止书签替换掉当前文档,可以在脚本前加上void,或者在脚本最后加上void 0

<a href="javascript: void new Date().toLocaleTimeString();">点击</a>
<a href="javascript: new Date().toLocaleTimeString();void 0;">点击</a>

上面这两种写法,点击链接后,执行代码都不会网页跳转。

script 元素 #

工作原理 #

浏览器加载 JavaScript 脚本,主要通过<script>元素完成。正常的网页加载流程是这样的。

  1. 浏览器一边下载 HTML 网页,一边开始解析。也就是说,不等到下载完,就开始解析。
  2. 解析过程中,浏览器发现<script>元素,就暂停解析,把网页渲染的控制权转交给 JavaScript 引擎。
  3. 如果<script>元素引用了外部脚本,就下载该脚本再执行,否则就直接执行代码。
  4. JavaScript 引擎执行完毕,控制权交还渲染引擎,恢复往下解析 HTML 网页。

加载外部脚本时,浏览器会暂停页面渲染,等待脚本下载并执行完成后,再继续渲染。原因是 JavaScript 代码可以修改 DOM,所以必须把控制权让给它,否则会导致复杂的线程竞赛的问题。

如果外部脚本加载时间很长(一直无法完成下载),那么浏览器就会一直等待脚本下载完成,造成网页长时间失去响应,浏览器就会呈现“假死”状态,这被称为“阻塞效应”。

为了避免这种情况,较好的做法是将<script>标签都放在页面底部,而不是头部。这样即使遇到脚本失去响应,网页主体的渲染也已经完成了,用户至少可以看到内容,而不是面对一张空白的页面。如果某些脚本代码非常重要,一定要放在页面头部的话,最好直接将代码写入页面,而不是连接外部脚本文件,这样能缩短加载时间。

脚本文件都放在网页尾部加载,还有一个好处。因为在 DOM 结构生成之前就调用 DOM 节点,JavaScript 会报错,如果脚本都在网页尾部加载,就不存在这个问题,因为这时 DOM 肯定已经生成了。

<head>
  <script>
    console.log(document.body.innerHTML);
  </script>
</head>
<body>
</body>

上面代码执行时会报错,因为此时document.body元素还未生成。

一种解决方法是设定DOMContentLoaded事件的回调函数。

<head>
  <script>
    document.addEventListener(
      'DOMContentLoaded',
      function (event) {
        console.log(document.body.innerHTML);
      }
    );
  </script>
</head>

上面代码中,指定DOMContentLoaded事件发生后,才开始执行相关代码。DOMContentLoaded事件只有在 DOM 结构生成之后才会触发。

另一种解决方法是,使用<script>标签的onload属性。当<script>标签指定的外部脚本文件下载和解析完成,会触发一个load事件,可以把所需执行的代码,放在这个事件的回调函数里面。

<script src="jquery.min.js" onload="console.log(document.body.innerHTML)">
</script>

但是,如果将脚本放在页面底部,就可以完全按照正常的方式写,上面两种方式都不需要。

<body>
  <!-- 其他代码  -->
  <script>
    console.log(document.body.innerHTML);
  </script>
</body>

如果有多个script标签,比如下面这样。

<script src="a.js"></script>
<script src="b.js"></script>

浏览器会同时并行下载a.jsb.js,但是,执行时会保证先执行a.js,然后再执行b.js,即使后者先下载完成,也是如此。也就是说,脚本的执行顺序由它们在页面中的出现顺序决定,这是为了保证脚本之间的依赖关系不受到破坏。当然,加载这两个脚本都会产生“阻塞效应”,必须等到它们都加载完成,浏览器才会继续页面渲染。

解析和执行 CSS,也会产生阻塞。Firefox 浏览器会等到脚本前面的所有样式表,都下载并解析完,再执行脚本;Webkit则是一旦发现脚本引用了样式,就会暂停执行脚本,等到样式表下载并解析完,再恢复执行。

此外,对于来自同一个域名的资源,比如脚本文件、样式表文件、图片文件等,浏览器一般有限制,同时最多下载6~20个资源,即最多同时打开的 TCP 连接有限制,这是为了防止对服务器造成太大压力。如果是来自不同域名的资源,就没有这个限制。所以,通常把静态文件放在不同的域名之下,以加快下载速度。

defer 属性 #

为了解决脚本文件下载阻塞网页渲染的问题,一个方法是对<script>元素加入defer属性。它的作用是延迟脚本的执行,等到 DOM 加载生成后,再执行脚本。

<script src="a.js" defer></script>
<script src="b.js" defer></script>

上面代码中,只有等到 DOM 加载完成后,才会执行a.jsb.js

defer属性的运行流程如下。

  1. 浏览器开始解析 HTML 网页。
  2. 解析过程中,发现带有defer属性的<script>元素。
  3. 浏览器继续往下解析 HTML 网页,同时并行下载<script>元素加载的外部脚本。
  4. 浏览器完成解析 HTML 网页,此时再回过头执行已经下载完成的脚本。

有了defer属性,浏览器下载脚本文件的时候,不会阻塞页面渲染。下载的脚本文件在DOMContentLoaded事件触发前执行(即刚刚读取完</html>标签),而且可以保证执行顺序就是它们在页面上出现的顺序。

对于内置而不是加载外部脚本的script标签,以及动态生成的script标签,defer属性不起作用。另外,使用defer加载的外部脚本不应该使用document.write方法。

async 属性 #

解决“阻塞效应”的另一个方法是对<script>元素加入async属性。

<script src="a.js" async></script>
<script src="b.js" async></script>

async属性的作用是,使用另一个进程下载脚本,下载时不会阻塞渲染。

  1. 浏览器开始解析 HTML 网页。
  2. 解析过程中,发现带有async属性的script标签。
  3. 浏览器继续往下解析 HTML 网页,同时并行下载<script>标签中的外部脚本。
  4. 脚本下载完成,浏览器暂停解析 HTML 网页,开始执行下载的脚本。
  5. 脚本执行完毕,浏览器恢复解析 HTML 网页。

async属性可以保证脚本下载的同时,浏览器继续渲染。需要注意的是,一旦采用这个属性,就无法保证脚本的执行顺序。哪个脚本先下载结束,就先执行那个脚本。另外,使用async属性的脚本文件里面的代码,不应该使用document.write方法。

defer属性和async属性到底应该使用哪一个?

一般来说,如果脚本之间没有依赖关系,就使用async属性,如果脚本之间有依赖关系,就使用defer属性。如果同时使用asyncdefer属性,后者不起作用,浏览器行为由async属性决定。

脚本的动态加载 #

<script>元素还可以动态生成,生成后再插入页面,从而实现脚本的动态加载。

['a.js', 'b.js'].forEach(function(src) {
  var script = document.createElement('script');
  script.src = src;
  document.head.appendChild(script);
});

这种方法的好处是,动态生成的script标签不会阻塞页面渲染,也就不会造成浏览器假死。但是问题在于,这种方法无法保证脚本的执行顺序,哪个脚本文件先下载完成,就先执行哪个。

如果想避免这个问题,可以设置async属性为false

['a.js', 'b.js'].forEach(function(src) {
  var script = document.createElement('script');
  script.src = src;
  script.async = false;
  document.head.appendChild(script);
});

上面的代码不会阻塞页面渲染,而且可以保证b.jsa.js后面执行。不过需要注意的是,在这段代码后面加载的脚本文件,会因此都等待b.js执行完成后再执行。

如果想为动态加载的脚本指定回调函数,可以使用下面的写法。

function loadScript(src, done) {
  var js = document.createElement('script');
  js.src = src;
  js.onload = function() {
    done();
  };
  js.onerror = function() {
    done(new Error('Failed to load script ' + src));
  };
  document.head.appendChild(js);
}

加载使用的协议 #

如果不指定协议,浏览器默认采用 HTTP 协议下载。

<script src="example.js"></script>

上面的example.js默认就是采用 HTTP 协议下载,如果要采用 HTTPS 协议下载,必需写明。

<script src="https://example.js"></script>

但是有时我们会希望,根据页面本身的协议来决定加载协议,这时可以采用下面的写法。

<script src="//example.js"></script>

浏览器的组成 #

浏览器的核心是两部分:渲染引擎和 JavaScript 解释器(又称 JavaScript 引擎)。

渲染引擎 #

渲染引擎的主要作用是,将网页代码渲染为用户视觉可以感知的平面文档。

不同的浏览器有不同的渲染引擎。

  • Firefox:Gecko 引擎
  • Safari:WebKit 引擎
  • Chrome:Blink 引擎
  • IE: Trident 引擎
  • Edge: EdgeHTML 引擎

渲染引擎处理网页,通常分成四个阶段。

  1. 解析代码:HTML 代码解析为 DOM,CSS 代码解析为 CSSOM(CSS Object Model)。
  2. 对象合成:将 DOM 和 CSSOM 合成一棵渲染树(render tree)。
  3. 布局:计算出渲染树的布局(layout)。
  4. 绘制:将渲染树绘制到屏幕。

以上四步并非严格按顺序执行,往往第一步还没完成,第二步和第三步就已经开始了。所以,会看到这种情况:网页的 HTML 代码还没下载完,但浏览器已经显示出内容了。

重流和重绘 #

渲染树转换为网页布局,称为“布局流”(flow);布局显示到页面的这个过程,称为“绘制”(paint)。它们都具有阻塞效应,并且会耗费很多时间和计算资源。

页面生成以后,脚本操作和样式表操作,都会触发“重流”(reflow)和“重绘”(repaint)。用户的互动也会触发重流和重绘,比如设置了鼠标悬停(a:hover)效果、页面滚动、在输入框中输入文本、改变窗口大小等等。

重流和重绘并不一定一起发生,重流必然导致重绘,重绘不一定需要重流。比如改变元素颜色,只会导致重绘,而不会导致重流;改变元素的布局,则会导致重绘和重流。

大多数情况下,浏览器会智能判断,将重流和重绘只限制到相关的子树上面,最小化所耗费的代价,而不会全局重新生成网页。

作为开发者,应该尽量设法降低重绘的次数和成本。比如,尽量不要变动高层的 DOM 元素,而以底层 DOM 元素的变动代替;再比如,重绘table布局和flex布局,开销都会比较大。

var foo = document.getElementById('foobar');

foo.style.color = 'blue';
foo.style.marginTop = '30px';

上面的代码只会导致一次重绘,因为浏览器会累积 DOM 变动,然后一次性执行。

下面是一些优化技巧。

  • 读取 DOM 或者写入 DOM,尽量写在一起,不要混杂。不要读取一个 DOM 节点,然后立刻写入,接着再读取一个 DOM 节点。
  • 缓存 DOM 信息。
  • 不要一项一项地改变样式,而是使用 CSS class 一次性改变样式。
  • 使用documentFragment操作 DOM
  • 动画使用absolute定位或fixed定位,这样可以减少对其他元素的影响。
  • 只在必要时才显示隐藏元素。
  • 使用window.requestAnimationFrame(),因为它可以把代码推迟到下一次重流时执行,而不是立即要求页面重流。
  • 使用虚拟 DOM(virtual DOM)库。

下面是一个window.requestAnimationFrame()对比效果的例子。

// 重绘代价高
function doubleHeight(element) {
  var currentHeight = element.clientHeight;
  element.style.height = (currentHeight * 2) + 'px';
}

all_my_elements.forEach(doubleHeight);

// 重绘代价低
function doubleHeight(element) {
  var currentHeight = element.clientHeight;

  window.requestAnimationFrame(function () {
    element.style.height = (currentHeight * 2) + 'px';
  });
}

all_my_elements.forEach(doubleHeight);

上面的第一段代码,每读一次 DOM,就写入新的值,会造成不停的重排和重流。第二段代码把所有的写操作,都累积在一起,从而 DOM 代码变动的代价就最小化了。

JavaScript 引擎 #

JavaScript 引擎的主要作用是,读取网页中的 JavaScript 代码,对其处理后运行。

JavaScript 是一种解释型语言,也就是说,它不需要编译,由解释器实时运行。这样的好处是运行和修改都比较方便,刷新页面就可以重新解释;缺点是每次运行都要调用解释器,系统开销较大,运行速度慢于编译型语言。

为了提高运行速度,目前的浏览器都将 JavaScript 进行一定程度的编译,生成类似字节码(bytecode)的中间代码,以提高运行速度。

早期,浏览器内部对 JavaScript 的处理过程如下:

  1. 读取代码,进行词法分析(Lexical analysis),将代码分解成词元(token)。
  2. 对词元进行语法分析(parsing),将代码整理成“语法树”(syntax tree)。
  3. 使用“翻译器”(translator),将代码转为字节码(bytecode)。
  4. 使用“字节码解释器”(bytecode interpreter),将字节码转为机器码。

逐行解释将字节码转为机器码,是很低效的。为了提高运行速度,现代浏览器改为采用“即时编译”(Just In Time compiler,缩写 JIT),即字节码只在运行时编译,用到哪一行就编译哪一行,并且把编译结果缓存(inline cache)。通常,一个程序被经常用到的,只是其中一小部分代码,有了缓存的编译结果,整个程序的运行速度就会显著提升。

字节码不能直接运行,而是运行在一个虚拟机(Virtual Machine)之上,一般也把虚拟机称为 JavaScript 引擎。并非所有的 JavaScript 虚拟机运行时都有字节码,有的 JavaScript 虚拟机基于源码,即只要有可能,就通过 JIT(just in time)编译器直接把源码编译成机器码运行,省略字节码步骤。这一点与其他采用虚拟机(比如 Java)的语言不尽相同。这样做的目的,是为了尽可能地优化代码、提高性能。下面是目前最常见的一些 JavaScript 虚拟机:

参考链接 #