仲曉，廖建新

（1 北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876；2 東信北郵信息技術(shù)有限公司，北京 100191）

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和Web應(yīng)用的迅速增多，越來越多的Web服務(wù)被發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上。網(wǎng)站信息的海量增長，給人們的生活和工作帶來了極大的便利，但網(wǎng)頁的代碼量及網(wǎng)頁中圖像、視頻、動(dòng)態(tài)代碼等元素的增加，導(dǎo)致了網(wǎng)站加載時(shí)間變長，網(wǎng)頁的瀏覽速度變慢，影響了用戶的上網(wǎng)體驗(yàn)，從而降低了網(wǎng)站的訪問量。

對(duì)于網(wǎng)站的開發(fā)商而言，提升網(wǎng)站的加載速度是非常有必要的，這不僅有利于優(yōu)化搜索排名和降低運(yùn)營成本，同時(shí)也能極大的提高用戶的體驗(yàn)度。

瀏覽器加載一個(gè)網(wǎng)站，可以分為以下幾個(gè)步驟：域名解析、TCP連接、上傳請(qǐng)求、等待響應(yīng)、HTML文檔下載、HTML文檔解析、頁面資源下載。本文基于Webkit開源瀏覽器內(nèi)核來模擬瀏覽器加載網(wǎng)站的過程，在分析Webkit的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)討論Webkit加載頁面的過程及信息的獲取。

2 Webkit系統(tǒng)分析

Webkit是開源的瀏覽器引擎，其內(nèi)核高效穩(wěn)定、兼容性好，源代碼清晰，便于維護(hù)，Apple的Safari、Google的Chrome都是基于Webkit內(nèi)核開發(fā)的，并且iPhone和Android手機(jī)系統(tǒng)中的瀏覽器也是使用Webkit作為瀏覽器內(nèi)核。

2.1 Webkit框架

Webkit的層次框架如圖 1所示，分為3個(gè)層次：Webkit、WebCore和 JavaScriptCore，Webkit層主要是與操作系統(tǒng)的交互；WebCore層是Webkit的核心，包括頁面渲染、布局、繪制、DOM綁定等功能；JavaScriptCore層包括JavaScript Engine和JavaScript腳本的執(zhí)行。

圖1 Webkit層次框架

2.2 Webkit加載網(wǎng)頁

Webkit瀏覽器內(nèi)核的功能主要包括：加載、文檔解析、渲染、Style解析、布局、Script執(zhí)行等。

加載是獲取資源數(shù)據(jù)，包括頁面加載和頁面所包含資源的加載。頁面加載主要由FrameLoader完成，資源的加載是由DocLoader和Cache完成，頁面和資源都是用CachedResource表示，可以分為RawResource、Image、Font、Script、SVGDocument等幾種資源類型。

文檔解析是根據(jù)HTML或XML文檔結(jié)構(gòu)構(gòu)建DOM樹，DOM樹用來描述頁面的結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)包括Element Node、Attribute Node、CSS Style Sheets。

渲染階段是創(chuàng)建Render樹，在文檔解析時(shí)，每增加一個(gè)DOM節(jié)點(diǎn)，都會(huì)調(diào)用Node類的attach方法，計(jì)算該節(jié)點(diǎn)style屬性中display值，如果非“none”，則創(chuàng)建該節(jié)點(diǎn)的Render對(duì)象，并添加到Render樹中。Render樹中包含所有需要在窗口中繪制的信息，并且Render樹屬于DOM樹。

Style解析是構(gòu)建RenderStyle樹，Node::attach方法中將計(jì)算結(jié)點(diǎn)的Style信息，添加到樹中，RenderStyle樹中包含CSS Style信息，并且RenderObject共享Style。

在為節(jié)點(diǎn)的Render對(duì)象添加到Render樹時(shí)，這些對(duì)象中沒有位置和大小信息，將通過執(zhí)行Render::layout方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的布局操作。

JavaScript引擎通過掃描JavaScript源碼，構(gòu)建語法樹，然后通過函數(shù)調(diào)用觸發(fā)語法樹求值。在JavaScript執(zhí)行過程中，通過修改DOM樹來修改文檔的結(jié)構(gòu)和結(jié)點(diǎn)的屬性，并且同時(shí)反映到Render樹中。

2.3 HTTP請(qǐng)求流程

Webkit通過WebCore和JavaScriptCore處理下載的內(nèi)容，并進(jìn)行文本、圖片等元素的顯示及JavaScript腳本的執(zhí)行。一個(gè)HTTP請(qǐng)求在Webkit中處理的流程如下：

（1）首先進(jìn)行主頁面加載，Webkit將主頁面的加載請(qǐng)求經(jīng)過Webkit引擎的內(nèi)部封裝成CFURLRequestRef，交由Webkit引擎和底層網(wǎng)絡(luò)庫的接口ResourceHandle，進(jìn)行資源的下載過程；

（2）Win32平 臺(tái) 使 用 的 是CFNetwork網(wǎng) 絡(luò)庫，通過調(diào)用網(wǎng)絡(luò)庫的異步函數(shù)實(shí)現(xiàn)資源的下載，ResourceHandle是Webkit引擎和網(wǎng)絡(luò)庫的接口，通過調(diào)用ResourceHandle::start()來發(fā)起網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)事件到達(dá)時(shí)，將調(diào)用注冊(cè)的回調(diào)函數(shù)：

willSendRequest(CFURLConnectionRef,CFURLRequestRef, CFURLResponseRef, const void*)：在發(fā)送請(qǐng)求之前調(diào)用，對(duì)發(fā)送的請(qǐng)求進(jìn)行預(yù)處理；

didReceiveResponse(CFURLConnectionRef,CFURLResponseRef, const void*)：收到來自服務(wù)器返回的響應(yīng)時(shí)調(diào)用，主要處理接收到的HTTP響應(yīng)頭，如，對(duì)狀態(tài)碼為“304 Not Modified”資源的請(qǐng)求，直接從Cache中獲得資源信息；

ata(CFURLConnectionRef,CFDataRef, CFIndex, const void*)：收到服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)調(diào)用,對(duì)于主頁面資源，將對(duì)接收到的HTML文本進(jìn)行解析，構(gòu)建DOM樹、Render樹等，并且在解析過程中伴隨著對(duì)圖片、腳本文件等其他資源的加載及解析得到的腳本片段的執(zhí)行過程；

didFinishLoading(CFURLConnectionRef, const void*)：服務(wù)器對(duì)請(qǐng)求的響應(yīng)結(jié)束時(shí)調(diào)用，此時(shí)客戶端已接收到服務(wù)器返回的所有數(shù)據(jù)。

（3）在HTML解析過程中，DOM將HTML文本解析成DOM樹，如果請(qǐng)求的頁面中包含圖片、腳本等資源時(shí)，將同樣通過ResourceHandle::start()發(fā)送對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求進(jìn)行資源的下載；

（4）如果接收到JavaScript腳本或者解析到嵌入在HTML文件中的JavaScript腳本，將交由JavaScriptCore執(zhí)行，并且在執(zhí)行過程中對(duì)DOM樹進(jìn)行完善；

（5）最后通過布局管理器分析HTML中可視元素的高度、寬度和位置等信息，進(jìn)行布局排版，具有CSS樣式的元素通過CSS解析器進(jìn)行解析，最后通過Rendering顯示給用戶。

3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于Webkit對(duì)HTTP請(qǐng)求的處理過程，網(wǎng)站加載過程監(jiān)控系統(tǒng)主要由兩部分組成：加載過程監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。加載過程的監(jiān)控是模擬瀏覽器請(qǐng)求HTTP頁面，記錄頁面加載的過程各個(gè)階段所用的時(shí)間，構(gòu)成一個(gè)頁面的加載過程記錄；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)將加載過程監(jiān)控產(chǎn)生的加載過程記錄組織并存放到數(shù)據(jù)庫中。

3.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分

網(wǎng)站加載過程的監(jiān)控主要需要兩個(gè)數(shù)據(jù)表，一個(gè)是記錄需要進(jìn)行監(jiān)控的網(wǎng)站信息表monitor_item_info，另一個(gè)是存儲(chǔ)監(jiān)控所得到的結(jié)果表monitor_result。監(jiān)控信息表和監(jiān)控結(jié)果記錄表的結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

圖2 monitor_item_info和monitor_result 結(jié)構(gòu)圖

（1） 監(jiān)控信息表monitor_item_info：

item_id記錄項(xiàng)目ID，是表的主鍵；

item_info記錄監(jiān)控項(xiàng)目的描述信息，允許為空；

url記錄監(jiān)控對(duì)象的URL地址；

gap記錄監(jiān)控時(shí)間間隔，表示項(xiàng)目監(jiān)控的周期，單位是min，默認(rèn)值5min。

（2） 監(jiān)控結(jié)果記錄表monitor_result：

operation_id記錄監(jiān)控項(xiàng)目一次監(jiān)控操作的ID；

resource_no記錄監(jiān)控結(jié)果對(duì)應(yīng)的資源在本次監(jiān)控操作中的內(nèi)部序號(hào)，（operation_id，resource_no）作為主鍵；

item_id記錄監(jiān)控結(jié)果屬于的監(jiān)控項(xiàng)目ID，對(duì)應(yīng)monitor_item_info中的item_id；

url記錄資源對(duì)應(yīng)的url地址；

start_time記錄本次監(jiān)控操作開始時(shí)間戳；

stop_time記錄本次監(jiān)控操作結(jié)束時(shí)間戳；

type記錄監(jiān)控資源的類型，資源的類型分為：main、image、script、cssstyle、link、font、other；

send_request_time記錄向服務(wù)器發(fā)送資源請(qǐng)求的時(shí)間戳；

receive_response_time記錄從服務(wù)器接收到響應(yīng)的時(shí)間戳；

finish_download_time記錄從服務(wù)器下載到所有資源的時(shí)間戳；

如HTML在下載過程需要交由解析器進(jìn)行解析，JavaScript腳本在下載過程需交由JavaScript Engine執(zhí)行，process_start_time記錄處理開始時(shí)間，process_end_time記錄處理結(jié)束時(shí)間；

在資源下載過程中可能會(huì)需要經(jīng)過多次服務(wù)器下載操作，data_download_times記錄資源數(shù)據(jù)下載次數(shù)；

data_size記錄資源數(shù)據(jù)總字節(jié)數(shù)；

error_id記錄當(dāng)前監(jiān)控結(jié)果的錯(cuò)誤類型，0表示無錯(cuò)誤。

圖3 主要類圖

代碼中定義類MonitorItemInfo用來表示一個(gè)資源的信息，MonitorResult用來表示一個(gè)資源加載結(jié)果的信息，類中各個(gè)字段分別與表monitor_item_info和表monitor_result的相應(yīng)字段對(duì)應(yīng)，并且定義類MonitorResultStore用來將監(jiān)控結(jié)果存放到數(shù)據(jù)庫中，如圖 3所示。

其中方法MonitorResultStore::addMonitorResult(MonitorResult*)將監(jiān)控結(jié)果保存到m_monitorResult List中，然后線程m_monitorResultStoreThread定時(shí)將結(jié)果存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。

3.2 加載過程監(jiān)控部分

根據(jù)2.2節(jié)中關(guān)于HTTP請(qǐng)求流程的分析，在HTTP請(qǐng)求的過程中記錄加載過程所得到的監(jiān)控結(jié)果信息。具體過程如下：方法CachedResource Lo ader::requestResource(CachedResource::Ty pe, CachedResourceRequest&)中 根 據(jù)Cached Resource::Type得到請(qǐng)求資源的類型，根據(jù)CachedResourceRequest得到請(qǐng)求資源的url；方法willSendRequest在發(fā)送請(qǐng)求時(shí)調(diào)用，并記錄了變量m_sendRequestTime；方法didReceiveResponse在接收到服務(wù)器響應(yīng)時(shí)調(diào)用，記錄了變量m_receiveResponse Time，并且根據(jù)響應(yīng)信息得到HTTP響應(yīng)的狀態(tài)碼，并判斷是否發(fā)生錯(cuò)誤；方法didReceiveData中累計(jì)從服務(wù)器下載的數(shù)據(jù)大小m_dataSize和調(diào)用次數(shù)m_downloadDataTimes；方法didFinishLoading在數(shù)據(jù)全部下載完畢時(shí)調(diào)用，記錄m_finishDownload Time；HTML文件和Java Script腳本的執(zhí)行，在解析完畢或者腳本執(zhí)行完畢時(shí)記錄m_processTime，其他資源的m_processTime設(shè)為0。每次資源加載完畢之后，將得到的結(jié)果MonitorResult通 過MonitorResultStore保存到數(shù)據(jù)庫中。

4 結(jié)束語

本文對(duì)Webkit瀏覽器內(nèi)核的頁面加載和HTTP請(qǐng)求處理流程等技術(shù)進(jìn)行了研究和分析，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于Webkit瀏覽器內(nèi)核的網(wǎng)站加載過程的監(jiān)控系統(tǒng)，能夠通過模擬瀏覽器來監(jiān)控網(wǎng)站的加載過程。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)得到的結(jié)果進(jìn)行分析，可得到網(wǎng)站在加載過程中的瓶頸，有利于改善網(wǎng)站的性能。本系統(tǒng)目前只是模擬了基于Webkit內(nèi)核的瀏覽器加載頁面的過程，其他瀏覽器內(nèi)核的加載過程有待研究。

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