程序员必须了解的计算机知识——从URL输入到页面展现到底发生什么

打开浏览器从输入网址到网页呈现在大家面前，背后到底发生了什么？经历怎么样的一个过程？先给大家来张总体流程图，具体步骤请看下文分解！

从URL输入到页面展现

总体来说分为以下几个过程:

• DNS 解析:将域名解析成 IP 地址
• TCP 连接：TCP 三次握手
• 发送 HTTP 请求
• 服务器处理请求并返回 HTTP 报文
• 浏览器解析渲染页面
• 断开连接：TCP 四次挥手

一、URL 到底是啥

URL（Uniform Resource Locator），统一资源定位符，用于定位互联网上资源，俗称网址。

比如 http://www.w3school.com.cn/html/index.asp，遵守以下的语法规则：

scheme://host.domain:port/path/filename

各部分解释如下：

scheme - 定义因特网服务的类型。常见的协议有 http、https、ftp、file，其中最常见的类型是 http，而 https 则是进行加密的网络传输。

host - 定义域主机（http 的默认主机是 www）

domain - 定义因特网域名，比如 w3school.com.cn

port - 定义主机上的端口号（http 的默认端口号是 80）

path - 定义服务器上的路径（如果省略，则文档必须位于网站的根目录中）。

filename - 定义文档/资源的名称

二、域名解析（DNS）

在浏览器输入网址后，首先要经过域名解析，因为浏览器并不能直接通过域名找到对应的服务器，而是要通过 IP 地址。大家这里或许会有个疑问----计算机既可以被赋予 IP 地址，也可以被赋予主机名和域名。比如 www.hackr.jp。那怎么不一开始就赋予个 IP 地址？这样就可以省去解析麻烦。我们先来了解下什么是 IP 地址

1.IP 地址

IP 地址是指互联网协议地址，是 IP Address 的缩写。IP 地址是 IP 协议提供的一种统一的地址格式，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。IP 地址是一个 32 位的二进制数，比如 127.0.0.1 为本机 IP。

域名就相当于 IP 地址乔装打扮的伪装者，带着一副面具。它的作用就是便于记忆和沟通的一组服务器的地址。用户通常使用主机名或域名来访问对方的计算机，而不是直接通过 IP 地址访问。因为与 IP 地址的一组纯数字相比，用字母配合数字的表示形式来指定计算机名更符合人类的记忆习惯。但要让计算机去理解名称，相对而言就变得困难了。因为计算机更擅长处理一长串数字。为了解决上述的问题，DNS 服务应运而生。

2.什么是域名解析

DNS 协议提供通过域名查找 IP 地址，或逆向从 IP 地址反查域名的服务。DNS 是一个网络服务器，我们的域名解析简单来说就是在 DNS 上记录一条信息记录。

例如 baidu.com 220.114.23.56（服务器外网IP地址）80（服务器端口号）

3. 浏览器如何通过域名去查询 URL 对应的 IP 呢

• 浏览器缓存：浏览器会按照一定的频率缓存 DNS 记录。
• 操作系统缓存：如果浏览器缓存中找不到需要的 DNS 记录，那就去操作系统中找。
• 路由缓存：路由器也有 DNS 缓存。
• ISP 的 DNS 服务器：ISP 是互联网服务提供商(Internet Service Provider)的简称，ISP 有专门的 DNS 服务器应对 DNS 查询请求。
• 根服务器：ISP 的 DNS 服务器还找不到的话，它就会向根服务器发出请求，进行递归查询（DNS 服务器先问根域名服务器.com 域名服务器的 IP 地址，然后再问.baidu 域名服务器，依次类推）

DNS解析流程

4. 小结

浏览器通过向 DNS 服务器发送域名，DNS 服务器查询到与域名相对应的 IP 地址，然后返回给浏览器，浏览器再将 IP 地址打在协议上，同时请求参数也会在协议搭载，然后一并发送给对应的服务器。接下来介绍向服务器发送 HTTP 请求阶段，HTTP 请求分为三个部分：TCP 三次握手、http 请求响应信息、关闭 TCP 连接。

三、TCP 三次握手

在客户端发送数据之前会发起 TCP 三次握手用以同步客户端和服务端的序列号和确认号，并交换 TCP 窗口大小信息。

1.TCP 三次握手的过程如下：

• 客户端发送一个带 SYN=1，Seq=X 的数据包到服务器端口（第一次握手，由浏览器发起，告诉服务器我要发送请求了）
• 服务器发回一个带 SYN=1， ACK=X+1， Seq=Y 的响应包以示传达确认信息（第二次握手，由服务器发起，告诉浏览器我准备接受了，你赶紧发送吧）
• 客户端再回传一个带 ACK=Y+1， Seq=Z 的数据包，代表“握手结束”（第三次握手，由浏览器发送，告诉服务器，我马上就发了，准备接受吧）

2.为啥需要三次握手

谢希仁著《计算机网络》中讲“三次握手”的目的是“为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端，因而产生错误”。

四、发送 HTTP 请求

TCP 三次握手结束后，开始发送 HTTP 请求报文。

请求报文由请求行（request line）、请求头（header）、请求体四个部分组成,如下图所示：

1.请求行包含请求方法、URL、协议版本

• 请求方法包含 8 种：GET、POST、PUT、DELETE、PATCH、HEAD、OPTIONS、TRACE。
• URL 即请求地址，由 <协议>：//<主机>：<端口>/<路径>?<参数 组成
• 协议版本即 http 版本号

POST /chapter17/user.html HTTP/1.1

以上代码中“POST”代表请求方法，“/chapter17/user.html”表示 URL，“HTTP/1.1”代表协议和协议的版本。现在比较流行的是 Http1.1 版本

2.请求头包含请求的附加信息，由关键字/值对组成，每行一对，关键字和值用英文冒号“:”分隔。

请求头部通知服务器有关于客户端请求的信息。它包含许多有关的客户端环境和请求正文的有用信息。其中比如：Host，表示主机名，虚拟主机；Connection,HTTP/1.1 增加的，使用 keepalive，即持久连接，一个连接可以发多个请求；User-Agent，请求发出者，兼容性以及定制化需求。

3.请求体，可以承载多个请求参数的数据，包含回车符、换行符和请求数据，并不是所有请求都具有请求数据。

name=tom&password=1234&realName=tomson

上面代码，承载着 name、password、realName 三个请求参数。

五、服务器处理请求并返回 HTTP 报文

1. 服务器

服务器是网络环境中的高性能计算机，它侦听网络上的其他计算机（客户机）提交的服务请求，并提供相应的服务，比如网页服务、文件下载服务、邮件服务、视频服务。而客户端主要的功能是浏览网页、看视频、听音乐等等，两者截然不同。 每台服务器上都会安装处理请求的应用——web server。常见的 web server 产品有 apache、nginx、IIS 或 Lighttpd 等。

web server 担任管控的角色，对于不同用户发送的请求，会结合配置文件，把不同请求委托给服务器上处理相应请求的程序进行处理（例如 CGI 脚本，JSP 脚本，servlets，ASP 脚本，服务器端 JavaScript，或者一些其它的服务器端技术等），然后返回后台程序处理产生的结果作为响应。

服务器和客户端区别.png

2.MVC 后台处理阶段

后台开发现在有很多框架，但大部分都还是按照 MVC 设计模式进行搭建的。

MVC 是一个设计模式，将应用程序分成三个核心部件：模型（model）-- 视图（view）--控制器（controller），它们各自处理自己的任务，实现输入、处理和输出的分离。

MVC架构

1、视图（view）

它是提供给用户的操作界面，是程序的外壳。

2、模型（model）

模型主要负责数据交互。在 MVC 的三个部件中，模型拥有最多的处理任务。一个模型能为多个视图提供数据。

3、控制器（controller）

它负责根据用户从"视图层"输入的指令，选取"模型层"中的数据，然后对其进行相应的操作，产生最终结果。控制器属于管理者角色，从视图接收请求并决定调用哪个模型构件去处理请求，然后再确定用哪个视图来显示模型处理返回的数据。

这三层是紧密联系在一起的，但又是互相独立的，每一层内部的变化不影响其他层。每一层都对外提供接口（Interface），供上面一层调用。

至于这一阶段发生什么？简而言之，首先浏览器发送过来的请求先经过控制器，控制器进行逻辑处理和请求分发，接着会调用模型，这一阶段模型会获取 redis db 以及 MySQL 的数据，获取数据后将渲染好的页面，响应信息会以响应报文的形式返回给客户端，最后浏览器通过渲染引擎将网页呈现在用户面前。

3.http 响应报文

响应报文由响应行（request line）、响应头部（header）、响应主体三个部分组成。如下图所示：

(1) 响应行包含：协议版本，状态码，状态码描述

状态码规则如下：

1xx：指示信息--表示请求已接收，继续处理。

2xx：成功--表示请求已被成功接收、理解、接受。

3xx：重定向--要完成请求必须进行更进一步的操作。

4xx：客户端错误--请求有语法错误或请求无法实现。

5xx：服务器端错误--服务器未能实现合法的请求。

(2) 响应头部包含响应报文的附加信息，由 名/值 对组成

(3) 响应主体包含回车符、换行符和响应返回数据，并不是所有响应报文都有响应数据

六、浏览器解析渲染页面

浏览器拿到响应文本 HTML 后，接下来介绍下浏览器渲染机制

浏览器解析渲染页面分为一下五个步骤：

• 根据 HTML 解析出 DOM 树
• 根据 CSS 解析生成 CSS 规则树
• 结合 DOM 树和 CSS 规则树，生成渲染树
• 根据渲染树计算每一个节点的信息
• 根据计算好的信息绘制页面

1.根据 HTML 解析 DOM 树

• 根据 HTML 的内容，将标签按照结构解析成为 DOM 树，DOM 树解析的过程是一个深度优先遍历。即先构建当前节点的所有子节点，再构建下一个兄弟节点。
• 在读取 HTML 文档，构建 DOM 树的过程中，若遇到 script 标签，则 DOM 树的构建会暂停，直至脚本执行完毕。

2.根据 CSS 解析生成 CSS 规则树

• 解析 CSS 规则树时 js 执行将暂停，直至 CSS 规则树就绪。
• 浏览器在 CSS 规则树生成之前不会进行渲染。

3.结合 DOM 树和 CSS 规则树，生成渲染树

• DOM 树和 CSS 规则树全部准备好了以后，浏览器才会开始构建渲染树。
• 精简 CSS 并可以加快 CSS 规则树的构建，从而加快页面相应速度。

4.根据渲染树计算每一个节点的信息（布局）

• 布局：通过渲染树中渲染对象的信息，计算出每一个渲染对象的位置和尺寸
• 回流：在布局完成后，发现了某个部分发生了变化影响了布局，那就需要倒回去重新渲染。

5.根据计算好的信息绘制页面

• 绘制阶段，系统会遍历呈现树，并调用呈现器的“paint”方法，将呈现器的内容显示在屏幕上。
• 重绘：某个元素的背景颜色，文字颜色等，不影响元素周围或内部布局的属性，将只会引起浏览器的重绘。
• 回流：某个元素的尺寸发生了变化，则需重新计算渲染树，重新渲染。

七、断开连接

当数据传送完毕，需要断开 tcp 连接，此时发起 tcp 四次挥手。

• 发起方向被动方发送报文，Fin、Ack、Seq，表示已经没有数据传输了。并进入 FIN_WAIT_1 状态。(第一次挥手：由浏览器发起的，发送给服务器，我请求报文发送完了，你准备关闭吧)
• 被动方发送报文，Ack、Seq，表示同意关闭请求。此时主机发起方进入 FIN_WAIT_2 状态。(第二次挥手：由服务器发起的，告诉浏览器，我请求报文接受完了，我准备关闭了，你也准备吧)
• 被动方向发起方发送报文段，Fin、Ack、Seq，请求关闭连接。并进入 LAST_ACK 状态。(第三次挥手：由服务器发起，告诉浏览器，我响应报文发送完了，你准备关闭吧)
• 发起方向被动方发送报文段，Ack、Seq。然后进入等待 TIME_WAIT 状态。被动方收到发起方的报文段以后关闭连接。发起方等待一定时间未收到回复，则正常关闭。(第四次挥手：由浏览器发起，告诉服务器，我响应报文接受完了，我准备关闭了，你也准备吧)