浏览器环境概述
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,主要有四种方法。
<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入 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onclick
和onmouseover
),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javascript:
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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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.js
和b.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.js
和b.js
。
defer
属性的运行流程如下。
- 浏览器开始解析 HTML 网页。
- 解析过程中,发现带有
defer
属性的<script>
元素。 - 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。 - 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。
- 浏览器开始解析 HTML 网页。
- 解析过程中,发现带有
async
属性的script
标签。 - 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。 - 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。
- 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async
和defer
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.js
在a.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。
- 解析代码:HTML 代码解析为 DOM,CSS 代码解析为 CSSOM(CSS Object Model)。
- 对象合成:将 DOM 和 CSSOM 合成一棵渲染树(render tree)。
- 布局:计算出渲染树的布局(layout)。
- 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绘之前执行,而不是立即要求页面重绘。 - 使用虚拟 DOM(virtual DOM)库。
下面是一个window.requestAnimationFrame()
对比效果的例子。
// 重流代价高
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:
- 读取代码,进行词法分析(Lexical analysis),将代码分解成词元(token)。
- 对词元进行语法分析(parsing),将代码整理成“语法树”(syntax tree)。
- 使用“翻译器”(translator),将代码转为字节码(bytecode)。
- 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:
- Chakra (Microsoft Internet Explorer)
- Nitro/JavaScript Core (Safari)
- Carakan (Opera)
- SpiderMonkey (Firefox)
- V8 (Chrome, Chromium)
参考链接
- John Dalziel, The race for speed part 2: How JavaScript compilers work
- Jake Archibald, Deep dive into the murky waters of script loading
- Mozilla Developer Network, window.setTimeout
- Remy Sharp, Throttling function calls
- Ayman Farhat, An alternative to JavaScript's evil setInterval
- Ilya Grigorik, Script-injected "async scripts" considered harmful
- Axel Rauschmayer, ECMAScript 6 promises (1/2): foundations
- Daniel Imms, async vs defer attributes
- Craig Buckler, Load Non-blocking JavaScript with HTML5 Async and Defer
- Domenico De Felice, How browsers work