用了這麼多年CSS，終於知道是怎麼工作的了

CSS WebKit 瀏覽器腳本語言 HTML 設計算法 Java識堂 2019-04-05

我們每天都在與CSS打交道，那麼CSS的原理是什麼呢？

一、瀏覽器渲染

開篇，我們還是不厭其煩的回顧一下瀏覽器的渲染過程，先上圖：

正如上圖所展示的，我們瀏覽器渲染過程分為了兩條主線：

其一，HTML Parser 生成的 DOM 樹；

其二，CSS Parser 生成的 Style Rules ；

在這之後，DOM 樹與 Style Rules 會生成一個新的對象，也就是我們常說的 Render Tree 渲染樹，結合 Layout 繪製在屏幕上，從而展現出來。

本文的重點也就集中在第二條分支上，我們來探究一下 CSS 解析原理。

二、Webkit CSS 解析器

瀏覽器 CSS 模塊負責 CSS 腳本解析，併為每個 Element 計算出樣式。CSS 模塊雖小，但是計算量大，設計不好往往成為瀏覽器性能的瓶頸。

CSS 模塊在實現上有幾個特點：CSS 對象眾多(顆粒小而多)，計算頻繁(為每個 Element 計算樣式)。這些特性決定了 webkit 在實現 CSS 引擎上採取的設計，算法。如何高效的計算樣式是瀏覽器內核的重點也是難點。

先來看一張圖：

Webkit 使用 Flex 和 Bison 解析生成器從 CSS 語法文件中自動生成解析器。

它們都是將每個 CSS 文件解析為樣式表對象，每個對象包含 CSS 規則，CSS 規則對象包含選擇器和聲明對象，以及其他一些符合 CSS 語法的對象，下圖可能會比較明瞭：

Webkit 使用了自動代碼生成工具生成了相應的代碼，也就是說詞法分析和語法分析這部分代碼是自動生成的，而 Webkit 中實現的 CallBack 函數就是在 CSSParser 中。

CSS 的一些解析功能的入口也在此處，它們會調用 lex , parse 等生成代碼。相對的，生成代碼中需要的 CallBack 也需要在這裡實現。

舉例來說，現在我們來看其中一個回調函數的實現，createStyleRule(),該函數將在一般性的規則需要被建立的時候調用，代碼如下：

CSSRule* CSSParser::createStyleRule(CSSSelector* selector) 
{ 
 CSSStyleRule* rule = 0; 
 if (selector) { 
 rule = new CSSStyleRule(styleElement); 
 m_parsedStyleObjects.append(rule); 
 rule->setSelector(sinkFloatingSelector(selector)); 
 rule->setDeclaration(new CSSMutableStyleDeclaration(rule, parsedProperties, numParsedProperties)); 
 } 
 clearProperties(); 
 return rule; 
}

從該函數的實現可以很清楚的看到，解析器達到某條件需要創建一個 CSSStyleRule 的時候將調用該函數，該函數的功能是創建一個 CSSStyleRule ，並將其添加已解析的樣式對象列表 m_parsedStyleObjects 中去，這裡的對象就是指的 Rule 。

那麼如此一來，經過這樣一番解析後，作為輸入的樣式表中的所有 Style Rule 將被轉化為 Webkit 的內部模型對象 CSSStyleRule 對象，存儲在 m_parsedStyleObjects 中，它是一個 Vector。

但是我們解析所要的結果是什麼？

1.通過調用 CSSStyleSheet 的 parseString 函數，將上述 CSS 解析過程啟動，解析完一遍後，把 Rule 都存儲在對應的 CSSStyleSheet 對象中；

2.由於目前規則依然是不易於處理的，還需要將之轉換成 CSSRuleSet。也就是將所有的純樣式規則存儲在對應的集合當中，這種集合的抽象就是 CSSRuleSet；

3.CSSRuleSet 提供了一個 addRulesFromSheet 方法，能將 CSSStyleSheet 中的 rule 轉換為 CSSRuleSet 中的 rule ；

4.基於這些個 CSSRuleSet 來決定每個頁面中的元素的樣式；

三、CSS 選擇器解析順序

可能很多同學都知道排版引擎解析 CSS 選擇器時是從右往左解析，這是為什麼呢？

1.HTML 經過解析生成 DOM Tree（這個我們比較熟悉）；而在 CSS 解析完畢後，需要將解析的結果與 DOM Tree 的內容一起進行分析建立一棵 Render Tree，最終用來進行繪圖。Render Tree 中的元素（WebKit 中稱為「renderers」，Firefox 下為「frames」）與 DOM 元素相對應，但非一一對應：一個 DOM 元素可能會對應多個 renderer，如文本折行後，不同的「行」會成為 render tree 種不同的 renderer。也有的 DOM 元素被 Render Tree 完全無視，比如 display:none 的元素。

2.在建立 Render Tree 時（WebKit 中的「Attachment」過程），瀏覽器就要為每個 DOM Tree 中的元素根據 CSS 的解析結果（Style Rules）來確定生成怎樣的 renderer。對於每個 DOM 元素，必須在所有 Style Rules 中找到符合的 selector 並將對應的規則進行合併。選擇器的「解析」實際是在這裡執行的，在遍歷 DOM Tree 時，從 Style Rules 中去尋找對應的 selector。

3.因為所有樣式規則可能數量很大，而且絕大多數不會匹配到當前的 DOM 元素（因為數量很大所以一般會建立規則索引樹），所以有一個快速的方法來判斷「這個 selector 不匹配當前元素」就是極其重要的。

4.如果正向解析，例如「div div p em」，我們首先就要檢查當前元素到 html 的整條路徑，找到最上層的 div，再往下找，如果遇到不匹配就必須回到最上層那個 div，往下再去匹配選擇器中的第一個 div，回溯若干次才能確定匹配與否，效率很低。

對於上述描述，我們先有個大概的認知。接下來我們來看這樣一個例子，參考地址：

<div>
 <div class="jartto">
 <p>span> 111 span><p>
 <p>span> 222 span><p>
 <p><span> 333 <span><p>
 <p><span class='yellow'> 444 <span><p>
 <div>
<div>

CSS 選擇器：

div > div.jartto p span.yellow{
 color:yellow;
}

對於上述例子，如果按從左到右的方式進行查找：

1.先找到所有 div 節點；

2.在 div 節點內找到所有的子 div ,並且是 class = “jartto”；

3.然後再依次匹配 p span.yellow 等情況；

4.遇到不匹配的情況，就必須回溯到一開始搜索的 div 或者 p 節點，然後去搜索下個節點，重複這樣的過程。

這樣的搜索過程對於一個只是匹配很少節點的選擇器來說，效率是極低的，因為我們花費了大量的時間在回溯匹配不符合規則的節點。

如果換個思路，我們一開始過濾出跟目標節點最符合的集合出來，再在這個集合進行搜索，大大降低了搜索空間。來看看從右到左來解析選擇器：

1.首先就查找到的元素；

2.緊接著我們判斷這些節點中的前兄弟節點是否符合 P 這個規則，這樣就又減少了集合的元素，只有符合當前的子規則才會匹配再上一條子規則。

結果顯而易見了，眾所周知，在 DOM 樹中一個元素可能有若干子元素，如果每一個都去判斷一下顯然性能太差。而一個子元素只有一個父元素，所以找起來非常方便。

試想一下，如果採用從左至右的方式讀取 CSS 規則，那麼大多數規則讀到最後（最右）才會發現是不匹配的，這樣會做費時耗能，最後有很多都是無用的；而如果採取從右向左的方式，那麼只要發現最右邊選擇器不匹配，就可以直接捨棄了，避免了許多無效匹配。

瀏覽器 CSS 匹配核心算法的規則是以從右向左方式匹配節點的。這樣做是為了減少無效匹配次數，從而匹配快、性能更優。

四、CSS 語法解析過程

CSS 樣式表解析過程中講解的很細緻，這裡我們只看 CSS 語法解釋器，大致過程如下：

1.先創建 CSSStyleSheet 對象。將 CSSStyleSheet 對象的指針存儲到 CSSParser 對象中。

2.CSSParser 識別出一個 simple-selector ，形如 “div” 或者 “.class”。創建一個 CSSParserSelector 對象。

3.CSSParser 識別出一個關係符和另一個 simple-selecotr ，那麼修改之前創建的 simple-selecotr, 創建組合關係符。

4.循環第3步直至碰到逗號或者左大括號。

5.如果碰到逗號，那麼取出 CSSParser 的 reuse vector，然後將堆棧尾部的 CSSParserSelector 對象彈出存入 Vecotr 中，最後跳轉至第2步。如果碰到左大括號，那麼跳轉至第6步。

6.識別屬性名稱，將屬性名稱的 hash 值壓入解釋器堆棧。

7.識別屬性值，創建 CSSParserValue 對象，並將 CSSParserValue 對象存入解釋器堆棧。

8.將屬性名稱和屬性值彈出棧，創建 CSSProperty 對象。並將 CSSProperty 對象存入 CSSParser 成員變量m_parsedProperties 中。

9.如果識別處屬性名稱，那麼轉至第6步。如果識別右大括號，那麼轉至第10步。

10.將 reuse vector 從堆棧中彈出，並創建 CSSStyleRule 對象。CSSStyleRule 對象的選擇符就是 reuse vector, 樣式值就是 CSSParser 的成員變量 m_parsedProperties 。

11.把 CSSStyleRule 添加到 CSSStyleSheet 中。

12.清空 CSSParser 內部緩存結果。

13.如果沒有內容了，那麼結束。否則跳轉值第2步。

五、內聯樣式如何解析？

通過上文的瞭解，我們知道，當 CSS Parser 解析完 CSS 腳本後，會生成 CSSStyleSheetList ，他保存在Document 對象上。為了更快的計算樣式，必須對這些 CSSStyleSheetList 進行重新組織。

計算樣式就是從 CSSStyleSheetList 中找出所有匹配相應元素的 property-value 對。匹配會通過CSSSelector 來驗證，同時需要滿足層疊規則。

將所有的 declaration 中的 property 組織成一個大的數組。數組中的每一項紀錄了這個 property 的selector，property 的值，權重（層疊規則）。

可能類似如下的表現：

p > a { 
 color : red; 
 background-color:black;
} 

a {
 color : yellow
} 

div { 
 margin : 1px;
}

重新組織之後的數組數據為(weight我只是表示了他們之間的相對大小，並非實際值。）

selectorselectorweightacolor:yellow1p > acolor:red2p > abackground-color:black2divmargin:1px3

好了，到這裡，我們來解決上述問題：

首先，要明確，內斂樣式只是 CSS 三種加載方式之一；

其次，瀏覽器解析分為兩個分支，HTML Parser 和 CSS Parser，兩個 Parser 各司其職，各盡其責；

最後，不同的 CSS 加載方式產生的 Style rule ，通過權重來確定誰覆蓋誰；

到這裡就不難理解了，對瀏覽器來說，內聯樣式與其他的加載樣式方式唯一的區別就是權重不同。

深入瞭解，請閱讀Webkit CSS引擎分析

六、何謂 computedStyle ？

到這裡，你以為完了？Too young too simple, sometimes naive!

瀏覽器還有一個非常棒的策略，在特定情況下，瀏覽器會共享 computedStyle，網頁中能共享的標籤非常多，所以能極大的提升執行效率！如果能共享，那就不需要執行匹配算法了，執行效率自然非常高。

也就是說：如果兩個或多個 element 的 computedStyle 不通過計算可以確認他們相等，那麼這些 computedStyle 相等的 elements 只會計算一次樣式，其餘的僅僅共享該 computedStyle 。

那麼有哪些規則會共享 computedStyle 呢？

該共享的element不能有id屬性且CSS中還有該id的StyleRule.哪怕該StyleRule與Element不匹配。
tagName和class屬性必須一樣;
mappedAttribute必須相等;
不能使用sibling selector，譬如:first-child, :last-selector, + selector;
不能有style屬性。哪怕style屬性相等，他們也不共享;

span>p style="color:red">paragraph1span>p>
span>p style="color:red">paragraph2span>p>

當然，知道了共享 computedStyle 的規則，那麼反面我們也就瞭解了：不會共享 computedStyle 的規則，這裡就不展開討論了。

深入瞭解，請參考：Webkit CSS 引擎分析 - 高效執行的 CSS 腳本

七、眼見為實

如上圖，我們可以看到不同的 CSS 選擇器的組合，解析速度也會受到不同的影響，你還會輕視 CSS 解析原理嗎？

感興趣的同學可以參考這裡：speed/validity selectors test for frameworks

八、有何收穫？

1.使用 id selector 非常的高效。在使用 id selector 的時候需要注意一點：因為 id 是唯一的，所以不需要既指定 id 又指定 tagName：

Bad
p#id1 {color:red;} 
Good 
#id1 {color:red;}

當然，你非要這麼寫也沒有什麼問題，但這會增加 CSS 編譯與解析時間，實在是不值當。

2.避免深層次的 node ，譬如：

Bad 
div > div > div > p {color:red;} 
Good 
p-class{color:red;}

3.慎用 ChildSelector ；

4.不到萬不得已，不要使用 attribute selector，如：p[att1=”val1”]。這樣的匹配非常慢。更不要這樣寫：p[id=”id1”]。這樣將 id selector 退化成 attribute selector。


Bad 
p[id="id1"]{color:red;} 
p[class="class1"]{color:red;} 
Good 
#id1{color:red;} 
.class1{color:red;}

5.理解依賴繼承，如果某些屬性可以繼承，那麼自然沒有必要在寫一遍；

6.規範真的很重要，不僅僅是可讀性，也許會影響你的頁面性能。這裡推薦一個 CSS 規範，可以參考一下。

九、總結

“學會使用”永遠都是最基本的標準，但是懂得原理，你才能觸類旁通，超越自我。

原文地址：https://segmentfault.com/a/1190000017986912