图说 Firefox 全新 CSS 引擎

mingzhong

原文:Inside a Super Fast CSS Engine: Quantum CSS(Aka Stylo), Lin Clark

注:原文发布于 2017 年 8 月,本文翻译于 2018 年 4 月,因此对文中跟时间相关的部分内容做了调整,但不影响核心内容。

全新的 CSS 引擎 - Stylo

你可能已经对量子项目(Project Quantum)有所耳闻,该项目对 Firefox 浏览器的内部实现进行了重大重写,以求更高性能。
本次重写中,我们使用了并行浏览器引擎 Servo 的新技术。这里要介绍地是我们对浏览器引擎的重大改进。

该项目的开发过程就像是给正在飞行中的飞机更换引擎。对于浏览器中的各个组件,我们是逐个进行更改的。这样,我们就可以在一个组件准备就绪后,立刻从 Firefox 中看到最新效果。

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Servo 的主要组件包含了一个全新的 CSS 引擎,称为量子 CSS(Quantum CSS,也称为 Stylo)。

这个新引擎集成了四种不同浏览器的最新创新技术,创造出一个全新的超级 CSS 引擎。

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它充分利用了现代硬件多核心的特性,把所有的工作都变成了并行化操作。这使得它可以提速 2 ~ 4 倍,甚至最大能达到 18 倍。

在并行化的基础上,它还结合了其他浏览器现有的最先进优化技术。所以,即使抛开并行化运行技术,它也仍然是个快速的 CSS 引擎。

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这里,我们不禁要问,这个 CSS 引擎到底做了什么呢?
要回答这个问题,首先要知道 CSS 引擎是什么,它是如何跟浏览器其他组件一起工作的。然后,我们再看看 Stylo 是如何变得更快的。

CSS 引擎原理

CSS 引擎是浏览器渲染引擎(Rendering Engine)的重要组成部分。
渲染引擎的工作就是把网页的 HTML 和 CSS 文件转化为屏幕上显示的像素点。

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每个浏览器都有一个渲染引擎。Chrome 的称为 Blink,Edge 的称为 EdgeHTML,Safari 的称为 WebKit,以及 Firefox 的称为 Gecko 。

基本流程

要想把文件变为像素点,所有的渲染引擎基本上都会做以下相同的工作:

1、把文件解析成浏览器能理解的对象,包括 DOM 。从这个角度来说,DOM 掌握了整个页面结构。它知道每个元素之间的父子关系,但是它不知道这些元素具体长什么样。

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2、弄清楚每个元素应该长什么样。对于每个 DOM 节点,CSS 引擎首先会弄清楚应该对它应用什么 CSS 规则。然后,会计算出每个 CSS 属性的值。

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3、计算出每个节点的尺寸和它在屏幕上的位置。为每个要在屏幕上显示的内容创建盒模型。这些盒模型不仅仅用来表示 DOM 节点,它们也用来表示 DOM 节点的内部内容,比如一行一行的文本。

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4、绘制不同的盒模型。这可以发生在多个图层上。它就像是以前使用半透明纸的手绘动画,每个图层都是独立的一张纸。这样我们就可以只改变当前图层的内容,而不会影响到其他图层的内容。

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5、取出已绘制的图层,应用任何仅包含合成器的属性(比如变换),然后把它们合成为一张图片。这就好比为这些叠加在一起的图层拍一张照片,之后这张照片将会在屏幕上渲染出来。

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从以上过程可以看出,当 CSS 引擎开始计算样式时,它已经得到了两样东西:

  • DOM 树
  • 样式规则列表

引擎会逐个遍历所有 DOM 节点,并计算出它们的样式。这个过程中,它会给 DOM 节点的每个 CSS 属性都进行求值,包括样式表中没有声明的属性。

这个过程就像一个人从头到尾填一张表格一样。CSS 引擎需要给每个 DOM 节点都填写一张表格。并且,表格的每一处空白都需要填上值。

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为了填这张表格,CSS 引擎需要做两件事:

  • 计算出每个节点应该应用什么样式规则,即选择器匹配(Selector Matching)
  • 根据父节点或默认值计算出缺失的属性值,即样式级联(Cascading)

选择器匹配

在这个步骤中,CSS 引擎会把所有与 DOM 节点相匹配的样式规则添加到一个列表中。
因为可能有多个样式规则都匹配中,所以可能有多个相同的 CSS 属性声明。

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此外,浏览器本身也提供了一些默认的样式规则,即用户代理样式表
那 CSS 引擎是如何确定应该使用哪个值的呢?

这个时候就需要特异性规则(Specificity Rules)来帮忙了。
CSS 引擎会创建一个电子表格,然后根据不同的列对其进行排序。

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最终,拥有最高特异性的规则会胜出。所以,基于这个表格,CSS 引擎就能够填充那些它能够填充的属性值了。

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对于不能使用这个方式计算出的值,它就会使用样式级联。

样式级联

样式级联让 CSS 的编写和维护都变得更加简单。因为样式级联,你可以在设置了 <body>color 属性后,直接就知道 <p><span><li> 也将会使用你设置的颜色值(除非被重写了)。

为了找出级联的样式属性,CSS 引擎会查看表格中的空白部分。
如果属性默认为继承值,那么 CSS 引擎会沿着 DOM 树往上查找,看看其祖先元素是否已经设置了该值。
如果所有的祖先元素都没有设置该值,或者该属性并不是继承,那么就会使用默认值。

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至此,一个 DOM 节点的所有样式属性就都已经得到计算值了。

样式结构共享

其实,上面提到的样式表格与实际情形并不完全一致。
CSS 拥有的样式属性非常多,达到上百个。如果 CSS 引擎针对每个 DOM 节点的属性都保存一份样式值,那么内存将会被迅速耗尽。

相反,CSS 引擎通常会使用样式结构共享(Style Struct Sharing)。
它会把通常在一起使用的样式值存储于一个单独的对象中,该对象称为样式结构
然后,与其重新存储相同对象上的所有样式值,计算的样式对象实际只保存了指向那个对象的指针。
对于每个类别的样式,实际上存储的都是一个指向样式结构的指针。

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这种共享方式既省内存又省时间。这样的话,具有相似样式的节点(比如兄弟节点)就只需要保存指向共享样式结构对象的指针即可。而且,由于很多属性都是继承来的,所以祖先节点可以跟所有的子孙节点共享相同的样式结构对象。

优化改进

上面所说的就是优化之前的样式计算过程。

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这个过程中进行了很多计算工作。而且它不只是在第一个页面加载的时候发生。它会在用户与页面进行交互的过程中反复的发生,悬停在元素上或者改变 DOM 结构,都会触发样式重算(Restyle)。

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也就是说,CSS 样式计算是一个举足轻重的待优化点。而且在过去的 20 年里,各个浏览器一直都在测试使用不同的策略来优化它。
Stylo 充分吸收了来自不同引擎的优化策略,然后把它们结合在一起,从而创造出一个全新的超级引擎。

下面让我们来看看 Stylo 的实现细节。

并行运行

Servo 是一个实验版的浏览器,Stylo 就是该项目的一部分。Servo 想把渲染页面所需的所有工作都进行并行化。
并行化具体指什么呢?

一台计算机就像一个大脑。其中有一个部分是专门进行逻辑思考的,叫做算术逻辑单元(Arithmetic Logic Unit, ALU)。在 ALU 附近,排列着一些短期记忆存储单元,称为寄存器(Register)。ALU 和寄存器都是一起放在在 CPU 内部的。当然也有用于长期记忆的存储单元,称为内存(RAM)。

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使用这种 CPU 的早期计算机在同一时间只能进行一种事情。
不过在过去的十几年里,CPU 已经进化到同时拥有多个 ALU 和寄存器组,具备了多个核心。
这就意味着 CPU 可以一次进行多种事情,而且是同时进行的。

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Stylo 通过利用计算机的这种特性,把不同 DOM 节点的样式计算过程分配到不同的计算核心当中。

这看起来是一件很简单的事情,只需要把 DOM 树的不同分支分开来,然后交给不同的核心即可。但实际上做起来却比想象的更加困难,其中一个原因就是 DOM 树通常是不均匀的。这会导致有些核心做的工作会比其它的做得多很多。

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为了让工作分配得更加均匀,Stylo 采用了一种称为工作偷窃(Work Stealing)的技术。当处理一个 DOM 节点时,运行的代码会把它的子节点分成一个或多个工作单元(Work Units)。这些工作单元会被添加到一个队列中去。

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当某个核心把它的工作队列都完成后,它会查看其它队列中的工作单元,然后拿过来做。
这样的话,我们就可以把工作分配得更加均匀,而又不需要花费时间来遍历 DOM 树,也不需要事先就花费时间来计算该如何均匀地分配工作。

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在大多数的浏览器中,这种并行化工作做起来非常困难。总所周知,并行化是一块难啃的硬骨头,而且 CSS 引擎非常复杂。同时, CSS 引擎还处于其他两个最复杂部分: DOM 和布局的中间地带。
因此,这会非常容易引入 BUG ,而且并行化也会导致非常难以追查的 BUG,叫做数据竞争(Data Races)。我在另一篇文章中详细介绍了这种类型错误,感兴趣的可以参考下。

如果你接受来自成百上千名工程师的代码贡献,你是如何做到平行编程而又无惧 BUG 的呢?这正是 Rust 的用武之地。

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在 Rust 中,你可以通过静态检查的方式来避免数据竞争。也就是说,你可以直接在代码中就避免这种难以调试的错误。编译器是不会让你的代码存在这样的问题的。

使用 Rust ,CSS 样式计算就变成了所谓的完美并行问题,因为你基本上不用做什么就实现了并行化。这意味着我们的这个优化可以达到线性增长。如果你的机器有 4 个核心,那么你就拥有接近 4 被的性能增长。

规则树

对于每个 DOM 节点,CSS 引擎需要遍历所有的样式规则来完成选择器匹配。
但是对于大多数节点来说,这种匹配规则并不是改变的太频繁。
比如,如果用户把光标悬停在某个父元素上,那么匹配中该元素的样式规则就可能改变了。我们也需要重新计算它的后代元素的样式,以重新处理那些继承属性。当然,匹配中这些后代元素的规则也可能是不变的。

如果我们能够记录哪些规则能够匹配中这些后代元素,那是极好的,这样我们就不需要对它们重新进行选择器匹配。这就是我们从 Firefox 上一代 CSS 引擎中借鉴过来的规则树(Rule Tree)的原理。

CSS 引擎会经历选择器进行匹配的整个过程,然后按照特异性来排列它们,由此创建一个规则链表。

该链表会被添加到规则树中。

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CSS引擎会尽量使得规则树的分支数量保持在最小值。为此,它会尽量复用已存在的规则分支。

如果链表中的选择器与已存在的分支相同,那么它将顺着相同的路径往下走。不过它可能最终会走到一个下一个规则不同的节点处,只有这个时候引擎才会新增一个分支。

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DOM 节点会取得指向这个规则最尾端节点的指针(这个例子中是 div#warning 规则)。而且,它的特异性最高的规则。

在样式重算时,CSS 引擎会进行一项快速检查,以判断对父元素的变更是否会影响匹配中子元素的规则。如果不影响,那么对于任何后代节点,引擎只需要顺着后代节点保存的规则指针就可以找到对应规则分支。在规则树中,只要顺着树向上遍历到根节点就可以获取所有匹配的样式规则。也就是说,CSS 引擎完全跳过了选择器匹配和特异性排列过程。

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这样我们就减少了样式重算过程的计算量。
虽然如此,但是在样式初始化时还是会耗费大量计算。假如有 10,000 个节点,仍然需要进行 10,000 次选择器匹配。
不过,不用担心,我们还有另一种方式来优化它。

样式共享缓存

对于一个拥有成千上万个节点的页面,其中有许多节点都会匹配中相同的样式规则。
举例来说,对于一个很长的维基页面,主要内容区的段落应该都是应用相同的样式规则,因此也就有相同的计算样式。

如果这里不做优化的话,那么 CSS 引擎必须对每个段落都进行一次选择器匹配和样式计算。
但是如果有一种方式能证明这些不同段落使用的是相同样式的话,那么引擎就只需要做一次计算即可,然后其他段落节点都指向相同的计算样式。

这就是我们所说的样式共享缓存(Style Sharing Cache),这种做法的灵感来自 Safari 和 Chrome 。
当处理完一个节点之后,引擎会把计算样式放进缓存。然后,在开始计算下一个节点的样式之前,引擎会做一些检查来判断是否可以使用已缓存的样式。

这些检查包括:

  • 两个节点是否有相同的 id、class 等?如果是,那么它们可以匹配中相同的样式规则。
  • 对于任何不是基于选择器的样式,比如内联样式,节点具有相同的样式值么?如果是,那么继承自父节点的属性不会被覆盖,或者以相同的方式被覆盖。
  • 节点的父节点是否指向相同的计算样式对象?如果是,那么继承的样式值则是一样的。

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从样式共享缓存被提出的一开始,这些检查就已经应用了。
不过,随着 CSS 的发展,有许多其它小场景会导致样式共享缓存的检查方式失效。
比如,如果一个 CSS 规则使用了 :first-child 选择器,那么两个段落元素时就可能会导致样式不一致,即使上面的那些检查都认为它们是相同的。

在 WebKit 和 Blink 中,样式共享缓存会忽略这些场景,并且不使用缓存。
随着越来越多的网站使用现代选择器,样式共享缓存的优化变得越来越鸡肋,因此 Blink 团队最终还是把它移除了。
但是,事实证明样式共享缓存还是有办法跟上这些进化节奏的。

在 Stylo 中,我们把记录着所有这些现代选择器并检查他们是否能够适用于 DOM 节点。然后,我们把检查结果以 0 和 1 的方式存储起来。如果两个元素有相同的 0 和 1 ,那么我们就可以确定它们是匹配的。

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如果一个 DOM 节点可以使用已经计算的样式缓存,那么引擎就可以直接跳过大量的计算过程。由于页面中经常有大量的 DOM 节点拥有相同的样式规则,所以样式共享缓存不仅可以节省内存,同时也能加快计算过程。

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结论

Stylo 是第一个从 Servo 迁移到 Firefox 的大型技术。
在这个过程中,我们已经学到了很多关于如何把使用 Rust 编写现代高性能代码集成到 Firefox 核心。

事不宜迟,赶紧下载 Firefox ,体验极速吧!

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