что такое рендеринг в программировании
Как браузер рендерит веб-страницу
Цель статьи, если я собираюсь создавать быстрые и надежные веб-сайты, мне нужно действительно понимать механику каждого шага, который браузер выполняет для отображения веб-страницы, чтобы каждый шаг был обдуман и оптимизирован во время разработки. Этот пост представляет собой краткое изложение моих знаний о процессе отображения страниц на довольно высоком уровне.
Много идей основано на фантастическом (и БЕСПЛАТНОН!) курсе по оптимизации производительности веб-сайта Website Performance Optimization Ilya Grigorik и Cameron Pittman на Udacity. Я очень рекомендую это посмотреть.
Также очень полезной оказалась статья Пола Айриша и Тали Гарсиэль How Browsers Work: Behind the scenes of modern web browsers. Хотя эта статья 2011 года, но многие основы работы браузеров остаются актуальными до сих пор.
И так, поехали. Процесс отображения страниц можно разбить на следующие основные этапы:
1. Начало разбора HTML
Когда браузер начинает получать данные HTML страницы по сети, он немедленно запускает свой синтаксический анализатор parser для преобразования HTML в объектную модель документа (DOM) Document Object Model (DOM).
Объектная модель документа (DOM) — это представление данных объектов, которые составляют структуру и содержимое документа в Интернете.
Первый шаг этого процесса синтаксического анализа — разбить HTML на токены, которые представляют начальные теги (start tags), конечные теги (end tags) и их содержимое (contents). Из этого он строит DOM.
2. Получение внешних ресурсов
Когда парсер встречает внешний ресурс, такой как файл CSS или JavaScript, он пытается, получить его. Синтаксический анализатор будет продолжать работу по мере загрузки файла CSS, но он заблокирует рендеринг до тех пор, пока файл не будет загружен и проанализирован (подробнее об этом чуть позже).
Файлы JavaScript немного отличаются — по умолчанию они так же блокируют синтаксический анализ HTML, на время загрузки. Но у них есть два атрибута, которые могут быть добавлены в теги сценария, чтобы изменить это: defer и async. Оба позволяют синтаксическому анализатору продолжать работу, пока файл JavaScript загружается в фоновом режиме. Они отличаются друг от друга то, как они выполняются. Подробнее об этом тоже немного ниже, но вкратце:
defer означает, что выполнение файла будет отложено до завершения синтаксического анализа документа. Если несколько файлов имеют атрибут defer, то они будут выполняться в том порядке, в котором они были обнаружены в HTML.
6. Расчет макета и отрисовка результата
Теперь, когда у нас есть полное дерево рендеринга, браузер знает, что рендерить, но не знает, где рендерить. Следовательно, необходимо рассчитать макет страницы (то есть положение и размер каждого узла). Механизм рендеринга проходит дерево рендеринга, начиная с вершины и идя вниз, вычисляет координаты, в которых должен отображаться каждый узел.
Как только это будет сделано, последний шаг — используя эту информацию о макете отрисовать пиксели на экране.
И вуаля! В конце концов, у нас есть полностью отрисованная веб-страница!
Как работает JS: движки рендеринга веб-страниц и советы по оптимизации их производительности
Сегодня, в переводе одиннадцатой части серии материалов, посвящённых JavaScript, мы поговорим о подсистемах браузера, ответственных за рендеринг веб-страниц. Они играют ключевую роль в деле преобразования описаний документов, выполненных с помощью HTML и CSS, в то, что мы видим на экране.
Автор материала говорит, что в компании SessionStack приходится уделять рендерингу огромное внимание. В этой статье он поделится советами, касающимися оптимизации веб-страниц с учётом особенностей их визуализации.
Обзор
Создавая веб-приложения, мы не пишем изолированный JS-код, который занимается исключительно какими-то собственными «внутренними» делами. Этот код выполняется в окружении, предоставляемом ему браузером, взаимодействует с ним. Понимание устройства этого окружения, того, как оно работает, из каких частей состоит, позволяет разработчику создавать более качественные программы, даёт ему возможность предусмотреть возникновение возможных проблем с приложением, которое вышло в свет.
На рисунке ниже показаны основные компоненты браузера. Давайте поговорим о том, какую роль они играют в процессе обработки веб-страниц.
Основные компоненты браузера
О различных движках рендеринга
Главная задача движка рендеринга заключается в том, чтобы вывести запрошенную страницу в окне браузера. Движок может выводить HTML-документы, XML-документы, изображения. При использовании дополнительных плагинов движок может визуализировать и материалы других типов, например — PDF-документы.
Мы знаем, что существуют различные JS-движки, которые используют различные браузеры. То же самое справедливо и для движков рендеринга. Вот несколько популярных движков:
Процесс рендеринга веб-страницы
Движок рендеринга получает содержимое запрошенного документа от сетевого уровня браузера. Процесс рендеринга выглядит так, как показано на рисунке ниже.
Процесс рендеринга веб-страницы
Вот основные этапы этого процесса:
Создание дерева DOM
Первый этап работы движка рендеринга заключается в разборе HTML-документа и преобразовании того, что у него получилось, в узлы DOM, размещённые в дереве DOM. При этом веб-страница, которая представлена в виде HTML-кода, преобразуется в структуру, подобную той, которая показана на рисунке ниже.
Каждый элемент этого дерева, содержащий вложенные элементы, является для них родительским. Это справедливо для всех уровней вложенности.
Создание дерева CSSOM
Как и в случае с HTML, движку нужно конвертировать CSS в нечто, с чем может работать браузер — в CSSOM. В результате получается дерево CSSOM, представленное на следующем рисунке.
Кроме того, обратите внимание на то, что вышеприведённое дерево не является полным CSSOM-деревом. Тут показаны лишь стили, которые мы, в нашем CSS-файле, решили переопределить. У каждого браузера имеется стандартный набор стилей, применяемый по умолчанию, известный ещё как «стили пользовательского агента» (user agent styles). Именно результаты применения этих стилей можно видеть на странице, не имеющей связанных с ней CSS-правил. Наши же стили просто переопределяют некоторые из стандартных стилей браузера.
Создание дерева рендеринга
Инструкции о внешнем виде элементов, представленные в HTML, скомбинированные с информацией об их стилизации из дерева CSSOM, используются для формирования дерева рендеринга.
Что это такое? Это — дерево визуальных элементов, созданных в том порядке, в котором они будут выводиться на экран. Это — визуальное представление HTML-кода страницы, отражающее влияние соответствующих этой странице CSS-правил. Цель этого дерева заключается в том, чтобы обеспечить вывод элементов правильном порядке.
Узел дерева рендеринга известен в движке WebKit как «renderer» или «render object» (мы будем называть их «объектами рендеринга»).
Вот как будет выглядеть дерево рендеринга для деревьев DOM и CSSOM, показанных выше.
Вот общее описание действий браузера, выполняемых им при создании дерева рендеринга.
Формирование макета страницы
После того, как объект рендеринга создан и добавлен в дерево, ему пока ещё не назначены позиция и размер. Вычисление этих значений и называется формированием макета страницы.
Процесс формирования макета означает задание каждому узлу точной позиции, в которой он должен появиться на странице.
Визуализация дерева рендеринга
На данном этапе осуществляется обход дерева рендеринга и вызов методов paint() объектов рендеринга, которые и выполняют вывод графического представления объектов на экран.
Визуализация, или отрисовка, может быть глобальной или инкрементной (так же выполняется и формирование макета страницы).
Что такое рендеринг? И что такое рендер? Словарь разработчиков компьютерных игр!
В продолжении ликбеза по компьютерной графике как для программистов, так и для художников хочу поговорить о том что такое рендеринг. Вопрос не так сложен как кажется, под катом подробное и доступное объяснение!
Я начал писать статьи, которые являются ликбезом для разработчика игр. И поторопился, написав статью про шейдеры, не рассказав что же такое рендеринг. Поэтому эта статья будет приквелом к введению в шейдеры и отправным пунктом в нашем ликбезе.
Что такое рендеринг? (для программистов)
Итак, Википедия дает такое определение: Ре́ндеринг (англ. rendering — «визуализация») — термин в компьютерной графике, обозначающий процесс получения изображения по модели с помощью компьютерной программы.
Довольно неплохое определение, продолжим с ним. Рендеринг – это визуализация. В компьютерной графике и 3д-художники и программисты под рендерингом понимают создание плоской картинки — цифрового растрового изображения из 3д сцены.
То есть, неформальный ответ на наш вопрос “Что такое рендеринг?” – это получение 2д картинки (на экране или в файле не важно). А компьютерная программа, производящая рендеринг, называется рендером (англ. render) или рендерером (англ. renderer).
Рендер
В свою очередь словом “рендер” называют чаще всего результат рендеринга. Но иногда и процесс называют так же (просто в английском глагол – render перенесся в русский, он короче и удобнее). Вы, наверняка, встречали различные картинки в интернете, с подписью “Угадай рендер или фото?”. Имеется ввиду это 3D-визуализация или реальная фотография (уж настолько компьютерная графика продвинулась, что порой и не разберешься).
Виды рендеринга
В зависимости от возможности сделать вычисления параллельными существуют:
Существует много алгоритмов рендеринга, но все их можно разделить на две группы по принципу получения изображения: растеризация 3д моделей и трасировка лучей. Оба способа используются в видеоиграх. Но трасировка лучей чаще используется не для получения изображений в режиме реального времени, а для подготовки так называемых лайтмапов – световых карт, которые предрасчитываются во время разработки, а после результаты предрасчета используются во время выполнения.
В чем суть методов? Как работает растеризация и трасировка лучей? Начнем с растеризация.
Растеризация полигональной модели
Сцена состоит из моделей, расположенных на ней. В свою очередь каждая модель состоит из примитивов.
Это могут быть точки, отрезки, треугольники и некоторые другие примитивы, такие как квады например. Но если мы рендерим не точки и не отрезки, любые примитивы превращаются в треугольники.
Задача растеризатора (программа, которая выполняет растеризацию) получить из этих примитивов пиксели результирующего изображения. Растеризация в разрезе графического пайплайна, происходит после вершинного шейдера и до фрагментного (Статья про шейдеры).
*возможно следующей статьёй будет обещанный мной разбор графического пайплайна, напишите в комментариях нужен ли такой разбор, мне будет приятно и полезно узнать скольким людям интересно это всё. Я сделал отдельную страничку где есть список разобранных тем и будущих – Для разработчиков игр
В случае с отрезком нужно получить пиксели линии соединяющей две точки, в случае с треугольником пиксели которые внутри него. Для первой задачи применяется алгоритм Брезенхема, для второй может применяться алгоритм заметания прямыми или проверки барицентрических координат.
Сложная модель персонажа состоит из мельчайших треугольников и растеризатор генерирует из неё вполне достоверную картинку. Почему тогда заморачиваться с трассировкой лучей? Почему не растеризовать и все? А смысл вот в чем, растеризатор знает только своё рутинное дело, треугольники – в пиксели. Он ничего не знает об объектах рядом с треугольником.
А это значит что все физические процессы которые происходят в реальном мире он учесть не в состоянии. Эти процессы прямым образом влияют на изображение. Отражения, рефлексы, тени, подповерхностное рассеивание и так далее! Все без чего мы будем видеть просто пластмассовые модельки в вакууме…
А игроки хотят графоний! Игрокам нужен фотореализм!
И приходится графическим программистам изобретать различные техники, чтобы достичь близости к фотореализму. Для этого шейдерные программы используют текстуры, в которых предрассчитаны разные данные света, отражения, теней и подповерхностного рассеивания.
В свою очередь трассировка лучей позволяет рассчитать эти данные, но ценой большего времени рассчета, которое не может быть произведено во время выполнения. Рассмотрим, что из себя представляет этот метод.
Трасировка лучей (англ. ray tracing)
Помните о корпускулярно волновом дуализме? Напомню в чем суть: свет ведёт себя и как волны и как поток частиц – фотонов. Так вот трассировка (от англ “trace” прослеживать путь), это симуляция лучей света, грубо говоря. Но трассирование каждого луча света в сцене непрактично и занимает неприемлемо долгое время.
Мы ограничимся относительно малым количеством, и будем трассировать лучи по нужным нам направлениям.
А какие направления нам нужны? Нам надо определять какие цвета будут иметь пиксели в результирующей картинке. Тоесть количество лучей мы знаем, оно равно количеству пикселей в изображении.
Что с направлением? Все просто, мы будем трассировать лучи в соответствии с точкой наблюдения (то как наша виртуальная камера направлена). Луч встретится в какой-то точке с объектом сцены (если не встретится, значит там темный пиксель или пиксель неба из скайбокса, например).
При встрече с объектом луч не прекращает своё распространение, а разделяется на три луча-компонента, каждый из которых вносит свой вклад в цвет пикселя на двумерном экране: отражённый, теневой и преломлённый. Количество таких компонентов определяет глубину трассировки и влияет на качество и фотореалистичность изображения. Благодаря своим концептуальным особенностям, метод позволяет получить очень фотореалистичные изображения, однако из-за большой ресурсоёмкости процесс визуализации занимает значительное время.
Рендеринг для художников
Но рендеринг это не только программная визуализация! Хитрые художники тоже используют его. Так что такое рендеринг с точки зрения художника? Примерно то же самое, что и для программистов, только концепт-художники выполняют его сами. Руками. Точно так же как рендерер в видео-игре или V-ray в Maya художники учитывают освещение, подповерхностное рассеивание, туман и др. факторы, влияющие на конечный цвет поверхности.
К примеру картинка выше, поэтапно прорабатывается таким образом: Грубый скетч – Лайн – Цвет – Объем – Рендер материалов.
Рендер материалов включает в себя текстурирование, проработку бликов – металлы, например, чаще всего очень гладкие поверхности, которые имеют четкие блики на гранях. Помимо всего этого художники сталкиваются с растеризацией векторной графики, это примерно то же самое, что и растеризация 3д-модели.
Растеризация векторной графики
Суть примерно такая же, есть данные 2д кривых, это те контуры, которыми заданы объекты. У нас есть конечное растровое изображение и растеризатор переводит данные кривых в пиксели. После этого у нас нет возможности масштабировать картинку без потери качества.
Читайте дальше
Статьи из рубрики “Ликбез для начинающих разработчиков игр“, скорее всего окажутся очень для Вас полезными, позвольте-с отрекомендовать:
Послесловие
В этой статье, я надеюсь, вы осили столько букв, вы получили представление о том, что такое рендеринг, какие виды рендеринга существуют. Если какие-то вопросы остались – смело задавайте их в комментариях, я обязательно отвечу. Буду благодарен за уточнения и указания на какие-то неточности и ошибки.
Серверный или клиентский рендеринг на вебе: что лучше использовать у себя в проекте и почему
Авторизуйтесь
Серверный или клиентский рендеринг на вебе: что лучше использовать у себя в проекте и почему
Разработчикам часто приходится принимать решения, которые повлияют на всю архитектуру приложения. Веб-разработчикам важно выбрать правильное место для реализации логики и рендеринга приложения. Это может быть непросто, так как сайт можно создать разными путями.
При выборе подхода для рендеринга нужно понимать разницу между возможными вариантами, чтобы не прогадать с производительностью. Сегодня мы разберёмся, в чём заключается эта разница.
Терминология
Отображение:
Производительность:
Серверный рендеринг
При серверном рендеринге в ответ на запрос на сервере генерируется весь HTML-код страницы. Это исключает необходимость дополнительных запросов данных со стороны клиента, так как сервер берёт всю работу на себя, прежде чем отправить ответ.
Такой подход позволяет добиться быстрой первой отрисовки и первой содержательной отрисовки. Выполнение логики страницы и рендеринг на сервере позволяют избежать отправки клиенту большого количества JavaScript, что приводит к меньшему времени до интерактивности. И это логично, ведь при серверном рендеринге пользователю отсылаются только текст и ссылки. Этот подход хорошо сработает на широком диапазоне устройств и сетевых условий, а также откроет возможности для интересных браузерных оптимизаций вроде потокового парсинга документа.
При использовании серверного рендеринга пользователям не нужно ждать завершения работы JavaScript, отнимающего ресурсы процессора, прежде чем они смогут начать работать с сайтом. Даже если нельзя избежать использования стороннего JavaScript, серверный рендеринг позволяет уменьшить количество вашего собственного JavaScript и даёт больше «бюджета» для всего остального. Однако у этого подхода есть один существенный недостаток: формирование страницы на сервере занимает определённое время, что может привести к большему времени до первого байта.
Ответ на вопрос «достаточно ли серверного рендеринга для моего приложения?» зависит от того, что вы создаёте. Сообщество давно дискутирует на тему правильного применения серверного рендеринга против клиентского, но важно помнить, что для одних страниц использовать серверный рендеринг можно, а для других — нет. Некоторые сайты успешно используют смешанный рендеринг. Netflix генерирует на сервере относительно статические лендинги и в то же время предварительно загружает JavaScript для страниц с высоким уровнем интерактивности, давая возможность быстрее загрузиться страницам, которые больше используют клиентский рендеринг.
4–5 декабря, Онлайн, Беcплатно
Многие современные фреймворки, библиотеки и архитектуры позволяют рендерить одно и то же приложение как на клиенте, так и на сервере. Их возможности можно использовать и для серверного рендеринга, однако важно отметить, что архитектуры, в которых рендеринг происходит и на клиенте, и на сервере, являются отдельным классом решений со своими характеристиками производительности и недостатками. Пользователи React могут использовать для серверного рендеринга метод renderToString() или решения на его основе вроде Next.js. Пользователям Vue стоит обратить внимание на гайд Vue по серверному отображению или на Nuxt. Если ваш выбор — Angular, то посмотрите на Universal. Тем не менее в большинстве популярных решений присутствует какая-то форма гидратации, поэтому, прежде чем выбрать инструмент, разузнайте больше о используемом подходе.
Статический рендеринг
Статический рендеринг происходит на этапе сборки и предоставляет быструю первую отрисовку, первую содержательную отрисовку и время до интерактивности — при условии, что количество клиентского JavaScript ограничено. В отличие от серверного рендеринга здесь удаётся добиться стабильно быстрого времени до первого байта, так как HTML-код страницы не должен генерироваться на лету. Как правило, статический рендеринг подразумевает предварительное создание отдельного HTML-файла для каждого URL. Поскольку HTML-ответы созданы заранее, статический рендеринг можно развернуть на нескольких CDN, чтобы воспользоваться преимуществом кеширования.
Для статического рендеринга существуют самые разные решения. Инструменты вроде Gatsby разработаны так, чтобы создавать впечатление динамического рендеринга. Другие, вроде Jekyl и Metalsmith, принимают свою статическую природу и предлагают подход, основанный в большей степени на шаблонах.
Но у такого способа рендеринга есть один недостаток — необходимо заранее создать HTML-файлы для всех возможных URL. Это может быть очень сложно или даже невыполнимо, если вы не можете заранее сказать, какие URL возможны, или если у вас сайт с большим количеством уникальных страниц.
Пользователи React могут быть знакомы с Gatsby, статическим экспортом Next.js или Navi — все они делают использование компонентов удобнее. Однако важно понимать разницу между статическим рендерингом и пререндерингом: статически отрендеренные страницы не нуждаются в выполнении большого количества клиентского JS для интерактивности, в то время как пререндеринг улучшает первую (содержательную) отрисовку одностраничного приложения, которое должно быть загружено на клиент, чтобы страницы были действительно интерактивными.
Если вы не уверены, используется ли в решении статический рендеринг или пререндеринг, то попробуйте провести тест: отключите JavaScript и загрузите созданные страницы. У статически отрендеренных страниц функциональность по большей части останется на месте. У пререндеренных страниц может сохраниться базовая функциональность вроде ссылок, однако в целом страница будет не интерактивна.
Также можно устроить другую проверку: замедлите сеть с помощью инструментов разработчика и посмотрите, сколько JavaScript загружается, прежде чем страница становится интерактивной. Пререндерингу, как правило, требуется больше JavaScript для интерактивности, и обычно этот JavaScript более сложный, чем подход прогрессивного улучшения, используемый при статическом рендеринге.
Серверный рендеринг против статического
Серверное отображение не панацея — его динамическая природа может сопровождаться множественными вычислительными затратами. Многие решения с серверным отображением не используют технологию early flush и могут оттянуть время до первого байта или удвоить количество отправляемых данных (например, встроенное состояние, используемое JS на клиенте). В React метод renderToString() может быть медленным из-за синхронности и однопоточности. Для эффективной реализации серверного рендеринга может потребоваться найти решение для кеширования компонентов, разобраться с управлением потребления памяти, применить мемоизацию и не только. По сути вы заново обрабатываете/собираете одно приложение несколько раз — на сервере и на клиенте. Тот факт, что серверный рендеринг может показать что-то быстрее, вовсе не означает, что нужно проделать меньше вычислительной работы.
Серверный рендеринг создаёт HTML для каждого URL при необходимости, но такой подход может работать медленнее, чем простая отправка статического контента. Если вы готовы поработать дополнительно, то с помощью связки серверного рендеринга с HTML-кешированием вы сможете сильно уменьшить время рендеринга. Преимуществом серверного рендеринга является возможность извлекать больше актуальных данных и отвечать на более полный список запросов, чем это возможно при статическом рендеринге. Персонализированные страницы — яркий пример запроса, который не очень хорошо ладит со статическим рендерингом.
Клиентский рендеринг
Клиентский рендеринг подразумевает рендеринг страниц прямо в браузере с помощью JavaScript. Вся логика, получение данных, шаблонизация и маршрутизация обрабатываются на клиенте, а не на сервере.
Основной недостаток клиентского рендеринга заключается в том, что количество необходимого JavaScript обычно увеличивается вместе с ростом приложения. Ситуация ухудшается с подключением новых JavaScript-библиотек, полифиллов и прочего стороннего кода, который соревнуется между собой за вычислительные мощности и часто требует обработки, прежде чем содержимое страницы можно будет отобразить. Решениям с клиентским рендерингом, которые полагаются на большие JavaScript-бандлы, стоит рассмотреть сильное разделение кода и ленивую загрузку JavaScript — «загружайте только то, что вам нужно и только когда это нужно». Для решений с минимумом интерактивности или её отсутствием серверный рендеринг может предоставить более масштабируемое решение этих проблем.
Если вы создаёте одностраничное приложение, то, определив основные части пользовательского интерфейса, которые используются на большинстве страниц, вы сможете использовать кеширование оболочки приложения. В сочетании с Service Worker’ами это даст сильный прирост ощущаемой производительности при повторных посещениях.
Совмещение серверного и клиентского рендеринга с помощью регидратации
Универсальный рендеринг (или просто «SSR») пытается устранить недостатки серверного и клиентского рендеринга, используя оба подхода. Навигационные запросы вроде полной загрузки или перезагрузки страницы обрабатываются сервером, который рендерит приложение в HTML, затем JavaScript и данные, используемые для рендеринга, встраиваются в итоговый документ. При правильной реализации время первой содержательной отрисовки будет как при серверном рендеринге, а повторный рендеринг будет производиться на клиенте с помощью техники, называемой (ре)гидратацией. Это новое решение, тем не менее не лишённое определённых проблем с производительностью.
Основной недостаток универсального рендеринга с регидратацией заключается в том, что такой подход может очень негативно повлиять на время до интерактивности даже при улучшении первой отрисовки. Страницы часто выглядят обманчиво готовыми и интерактивными, но по факту не могут никак реагировать на действия пользователя до выполнения JS на стороне клиента и присоединения обработчиков событий. Это может занять несколько секунд или даже минут на мобильных устройствах.
Возможно, вы и сами сталкивались с таким — страница уже какое-то время выглядит загруженной, но нажатия на элементы не дают эффекта. Это сильно удручает: «Почему ничего не происходит? Почему я не могу скроллить?».
Проблема регидратации: одно приложение по цене двух
Из-за JavaScript проблемы регидратации могут быть похуже, чем отложенная интерактивность. Для того чтобы клиентский JavaScript мог, не прибегая к новому запросу всех данных, использованных сервером для рендеринга HTML, продолжить работу с того места, где прекратил работу сервер, текущие решения на основе универсального рендеринга обычно сериализуют данные для интерфейса в документ в виде тегов