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# 浏览器：一个浏览器是如何工作的？（阶段一）
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对于前端开发来说，我们平时与浏览器打交道的时间是最多的。可浏览器对前端同学来说更多像一个神秘黑盒子的存在。我们仅仅知道它能做什么，而不知道它是如何做到的。
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在我面试和接触过的前端开发者中，70%的前端同学对这部分的知识内容只能达到“一知半解”的程度。甚至还有一部分同学会质疑这部分知识是否重要：这与我们的工作相关吗，学多了会不会偏移前端工作的方向？
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事实上，我们这里所需要了解的浏览器工作原理只是它的大致过程，这部分浏览器工作原理不但是前端面试的常考知识点，它还会辅助你的实际工作，学习浏览器的内部工作原理和个中缘由，对于我们做性能优化、排查错误都有很大的好处。
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在我们的课程中，我也会控制浏览器相关知识的粒度，把它保持在“给前端工程师了解浏览器”的水准，而不是详细到“给浏览器开发工程师实现浏览器”的水准。
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那么，我们今天开始，来共同思考一下。一个浏览器到底是如何工作的。
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实际上，对浏览器的实现者来说，他们做的事情，就是把一个URL变成一个屏幕上显示的网页。
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这个过程是这样的：
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1. 浏览器首先使用HTTP协议或者HTTPS协议，向服务端请求页面；
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2. 把请求回来的HTML代码经过解析，构建成DOM树；
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3. 计算DOM树上的CSS属性；
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4. 最后根据CSS属性对元素逐个进行渲染，得到内存中的位图；
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5. 一个可选的步骤是对位图进行合成，这会极大地增加后续绘制的速度；
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6. 合成之后，再绘制到界面上。
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我们在开始详细介绍之前，要建立一个感性认识。我们从HTTP请求回来开始，这个过程并非一般想象中的一步做完再做下一步，而是一条流水线。
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从HTTP请求回来，就产生了流式的数据，后续的DOM树构建、CSS计算、渲染、合成、绘制，都是尽可能地流式处理前一步的产出：即不需要等到上一步骤完全结束，就开始处理上一步的输出，这样我们在浏览网页时，才会看到逐步出现的页面。
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首先我们来介绍下网络通讯的部分。
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## HTTP协议
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浏览器首先要做的事就是根据URL把数据取回来，取回数据使用的是HTTP协议，实际上这个过程之前还有DNS查询，不过这里就不详细展开了。
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我先来了解下HTTP的标准。
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HTTP标准由IETF组织制定，跟它相关的标准主要有两份：
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* HTTP1.1 [https://tools.ietf.org/html/rfc2616](https://tools.ietf.org/html/rfc2616)
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* HTTP1.1 [https://tools.ietf.org/html/rfc7234](https://tools.ietf.org/html/rfc7234)
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HTTP协议是基于TCP协议出现的，对TCP协议来说，TCP协议是一条双向的通讯通道，HTTP在TCP的基础上，规定了Request-Response的模式。这个模式决定了通讯必定是由浏览器端首先发起的。
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大部分情况下，浏览器的实现者只需要用一个TCP库，甚至一个现成的HTTP库就可以搞定浏览器的网络通讯部分。HTTP是纯粹的文本协议，它是规定了使用TCP协议来传输文本格式的一个应用层协议。
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下面，我们试着用一个纯粹的TCP客户端来手工实现HTTP一下：
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## 实验
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我们的实验需要使用telnet客户端，这个客户端是一个纯粹的TCP连接工具（安装方法）。
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首先我们运行telnet，连接到极客时间主机，在命令行里输入以下内容：
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```
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telnet time.geekbang.org 80
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```
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这个时候，TCP连接已经建立，我们输入以下字符作为请求：
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```
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GET / HTTP/1.1
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Host: time.geekbang.org
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```
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按下两次回车，我们收到了服务端的回复：
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```
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HTTP/1.1 301 Moved Permanently
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Date: Fri, 25 Jan 2019 13:28:12 GMT
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Content-Type: text/html
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Content-Length: 182
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Connection: keep-alive
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Location: https://time.geekbang.org/
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Strict-Transport-Security: max-age=15768000
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<html>
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<head><title>301 Moved Permanently</title></head>
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<body bgcolor="white">
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<center><h1>301 Moved Permanently</h1></center>
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<hr><center>openresty</center>
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</body>
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</html>
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```
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这就是一次完整的HTTP请求的过程了，我们可以看到，在TCP通道中传输的，完全是文本。
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在请求部分，第一行被称作 request line，它分为三个部分，HTTP Method，也就是请求的“方法”，请求的路径和请求的协议和版本。
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在响应部分，第一行被称作 response line，它也分为三个部分，协议和版本、状态码和状态文本。
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紧随在request line或者response line之后，是请求头/响应头，这些头由若干行组成，每行是用冒号分隔的名称和值。
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在头之后，以一个空行（两个换行符）为分隔，是请求体/响应体，请求体可能包含文件或者表单数据，响应体则是HTML代码。
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## HTTP协议格式
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根据上面的分析，我们可以知道HTTP协议，大概可以划分成如下部分。
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我们简单看一下，在这些部分中，path是请求的路径完全由服务端来定义，没有很多的特别内容；而version几乎都是固定字符串；response body是我们最熟悉的HTML，我在后面会有专门的课程介绍，这里也就不多讲了。
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下面我们就来逐个给你介绍其它部分。
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## HTTP Method（方法）
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我们首先来介绍一下request line里面的方法部分。这里的方法跟我们编程中的方法意义类似，表示我们此次HTTP请求希望执行的操作类型。方法有以下几种定义：
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* GET
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* POST
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* HEAD
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* PUT
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* DELETE
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* CONNECT
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* OPTIONS
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* TRACE
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浏览器通过地址栏访问页面都是GET方法。表单提交产生POST方法。
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HEAD则是跟GET类似，只返回响应头，多数由JavaScript发起。
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PUT和DELETE分别表示添加资源和删除资源，但是实际上这只是语义上的一种约定，并没有强约束。
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CONNECT现在多用于HTTPS和WebSocket。
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OPTIONS和TRACE一般用于调试，多数线上服务都不支持。
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## HTTP Status code（状态码）和 Status text（状态文本）
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接下来我们看看response line的状态码和状态文本。常见的状态码有以下几种。
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* 1xx：临时回应，表示客户端请继续。
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* 2xx：请求成功。
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* 200：请求成功。
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* 3xx: 表示请求的目标有变化，希望客户端进一步处理。
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* 301&302：永久性与临时性跳转。
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* 304：跟客户端缓存没有更新。
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* 4xx：客户端请求错误。
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* 403：无权限。
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* 404：表示请求的页面不存在。
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* 418：It’s a teapot. 这是一个彩蛋，来自ietf的一个愚人节玩笑。（[超文本咖啡壶控制协议](https://tools.ietf.org/html/rfc2324)）
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* 5xx：服务端请求错误。
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* 500：服务端错误。
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* 503：服务端暂时性错误，可以一会再试。
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对我们前端来说，1xx系列的状态码是非常陌生的，原因是1xx的状态被浏览器HTTP库直接处理掉了，不会让上层应用知晓。
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2xx系列的状态最熟悉的就是200，这通常是网页请求成功的标志，也是大家最喜欢的状态码。
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3xx系列比较复杂，301和302两个状态表示当前资源已经被转移，只不过一个是永久性转移，一个是临时性转移。实际上301更接近于一种报错，提示客户端下次别来了。
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304又是一个每个前端必知必会的状态，产生这个状态的前提是：客户端本地已经有缓存的版本，并且在Request中告诉了服务端，当服务端通过时间或者tag，发现没有更新的时候，就会返回一个不含body的304状态。
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## HTTP Head (HTTP头)
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HTTP头可以看作一个键值对。原则上，HTTP头也是一种数据，我们可以自由定义HTTP头和值。不过在HTTP规范中，规定了一些特殊的HTTP头，我们现在就来了解一下它们。
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在HTTP标准中，有完整的请求/响应头规定，这里我们挑几个重点的说一下：
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我们先来看看Request Header。
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接下来看一下Response Header。
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这里仅仅列出了我认为比较常见的HTTP头，这些头是我认为前端工程师应该做到不需要查阅，看到就可以知道意思的HTTP头。完整的列表还是请你参考我给出的rfc2616标准。
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## HTTP Request Body
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HTTP请求的body主要用于提交表单场景。实际上，HTTP请求的body是比较自由的，只要浏览器端发送的body服务端认可就可以了。一些常见的body格式是：
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* application/json
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* application/x-www-form-urlencoded
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* multipart/form-data
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* text/xml
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我们使用HTML的form标签提交产生的HTML请求，默认会产生 application/x-www-form-urlencoded 的数据格式，当有文件上传时，则会使用multipart/form-data。
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## HTTPS
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在HTTP协议的基础上，HTTPS和HTTP2规定了更复杂的内容，但是它基本保持了HTTP的设计思想，即：使用上的Request-Response模式。
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我们首先来了解下HTTPS。HTTPS有两个作用，一是确定请求的目标服务端身份，二是保证传输的数据不会被网络中间节点窃听或者篡改。
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HTTPS的标准也是由RFC规定的，你可以查看它的详情链接：
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[https://tools.ietf.org/html/rfc2818](https://tools.ietf.org/html/rfc2818)
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HTTPS是使用加密通道来传输HTTP的内容。但是HTTPS首先与服务端建立一条TLS加密通道。TLS构建于TCP协议之上，它实际上是对传输的内容做一次加密，所以从传输内容上看，HTTPS跟HTTP没有任何区别。
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## HTTP 2
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HTTP 2是HTTP 1.1的升级版本，你可以查看它的详情链接。
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* [https://tools.ietf.org/html/rfc7540](https://tools.ietf.org/html/rfc7540)
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HTTP 2.0 最大的改进有两点，一是支持服务端推送，二是支持TCP连接复用。
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服务端推送能够在客户端发送第一个请求到服务端时，提前把一部分内容推送给客户端，放入缓存当中，这可以避免客户端请求顺序带来的并行度不高，从而导致的性能问题。
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TCP连接复用，则使用同一个TCP连接来传输多个HTTP请求，避免了TCP连接建立时的三次握手开销，和初建TCP连接时传输窗口小的问题。
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> Note: 其实很多优化涉及更下层的协议。IP层的分包情况，和物理层的建连时间是需要被考虑的。
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## 结语
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在这一节内容中，我们一起学习了浏览器的第一步工作，也就是“浏览器首先使用HTTP协议或HTTPS协议，向服务端请求页面”的这一过程。
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在这个过程中，掌握HTTP协议是重中之重。我从一个小实验开始，带你体验了一次完整的HTTP请求过程。我们一起先分析了HTTP协议的结构。接下来，我分别介绍了HTTP方法、HTTP状态码和状态文本、HTTP Head和HTTP Request Body几个重点需要注意的部分。
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最后，我还介绍了HTTPS和HTTP 2这两个补充版本，以便你可以更好地熟悉并理解新的特性。
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你在工作中，是否已经开始使用HTTPS和HTTP 2协议了呢？用到了它们的哪些特性，请留言告诉我吧。
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