렌더링 엔진(1) - 파싱과 DOM트리 구축

https://d2.naver.com/helloworld/59361 를 읽고 정리했습니다.

1. 브라우저의 주요 기능
2. 렌더링 엔진 동작 과정
3. HTML 파싱 (for DOM 트리 구축)
4. 렌더 트리 구축
5. 렌더 트리 배치
6. 렌더 트리 그리기

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파싱과 DOM 트리 구축

1. 파싱에 대하여
   문법 / 파서-어휘 분석기 조합 / 변환 / 파싱 예 / 어휘와 구문에 대한 공식적인 정의 / 파서의 종류 / 파서 자동 생성
2. HTML 파서 => DOM 트리
   문맥자유문법이 아니다 / HTML DTD / DOM / 파싱 알고리즘 / 파싱이 끝난 이후의 동작 / 브라우저의 오류 처리
3. CSS 파서 => CSSOM 트리
4. 스크립트와 스타일 시트의 진행 순서

1. 파싱 일반

• 문서 파싱 : 브라우저가 코드를 이해하고 사용할 수 있는 구조로 변환하는 것
• 파싱 트리(문법트리 syntax tree) : 파싱결과는 보통 문서 구조를 나타내는 노드 트리

2 + 3 - 1

1-1. 문법

• 파싱은 문서에 작성된 언어 또는 형식의 규칙에 따른다.
• 파싱할 수 있는 모든 형식은 정해진 용어와 구문 규칙에 따라야 한다.
• 문맥 자유 문법 (Context-free grammar, CFG)
• 인간의 언어는 이런 모습과 다르기 때문에 기계적인 파싱이 불가능하다.

1-2. 파서-어휘 분석기 조합

• 파싱은 어휘 분석과 구문 분석으로 구분할 수 있다.
  • 어휘 분석 : 자료를 토큰으로 분해하는 과정 ( 사전에 등장하는 모든 단어를 말한다고 볼수 있다. )
  • 구문 분석 : 언어의 구문 규칙을 적용하는 과정

자료를 유효한 토큰으로 분해하는 어휘 분석기(lexical analysis)가 있고,
언어 구문 규칙에 따라 문서 구조를 분석함으로써 파싱 트리를 생성하는 파서가 있다.

• 어휘 분석기는 공백과 줄 바꿈 같은 의미 없는 문자를 제거한다.

• 파싱과정은 반복됨
• 파서는 보통 어휘 분석기로부터 새 토큰을 받아서 구문 규칙과 일치하는지 확인 (언어 규칙들..)
• 규칙과 맞으면 토큰에 해당하는 노드가 파싱 트리에 추가되고 파서는 또 다른 토큰을 요청
• 규칙과 맞지 않으면 파서는 토큰을 내부적으로 저장, 토큰과 일치하는 규칙이 발견될 때까지 요청한다.
• 맞는 규칙이 없는 경우 예외로 처리하는데 => 문서가 유효하지 않고 구문 오류를 포함하고 있다는 의미

1-3. 변환 (컴파일!!)

• 파싱트리는 최종 결과물이 아니다.
• 파싱은 보통 문서를 다른 양식으로 변환하는데
• 컴파일이 하나의 예가 된다.
• 소스 코드를 기계 코드로 만드는 컴파일러는 파싱 트리 생성 후 이를 기계 코드 문서로 변환한다!

1-4. 파싱 예

• 어휘 : 수학언어는 정수, 더하기 기호, 빼기 기호를 포함한다.
• 구문
  1. 언어 구문의 기본적인 요소는 표현식, 항(정수), 연산자(+,-)이다.
  2. 언어에 포함되는 표현식의 수는 제한이 없다.
  3. 표현식은 “항” 뒤에 “연산자” 그 뒤에 또 다른 항이 따르는 형태로 정의한다.
  4. 연산자는 더하기 토큰 또는 빼기 토큰이다.
  5. 정수 토큰 또는 하나의 표현식은 항이다.
• 2++는 어떤 규칙과도 맞지 않기 때문에 유효하지 않은 입력이 된다.

1-5. 어휘와 구문에 대한 공식적인 정의

어휘는 보통 정규표현식으로 표현한다.

INTEGER : 0|[1-9][0-9]*
PLUS : +
MINUS : -

구문은 보통 BNF ( <기호> ::= <표현식>)라고 부르는 형식에 따라 정의한다.

expression := term operation term
operation := PLUS | MINUS
term := INTEGER | expression

문법이 문맥자유문법(= 완전히 BNF 로 표현 가능한 문법)이라면,
언어는 정규 파서로 파싱할 수 있다.

1-6. 파서의 종류

• 하향식 파서 : 구문의 상위 구조로부터 일치하는 부분을 찾는다.
• 상향식 파서 : 낮은 수준에서 점차 높은 수준으로 찾는다.

1-7. 파서 자동 생성

파서 생성기

파서를 생성해 줄 수 있는 도구

• 언어에 => 어휘나 구문규칙 같은 문법을 부여하면 => 동작하는 파서를 만들어줌
• 파싱에 대한 깊은 이해를 필요로 하고 수동으로 파서를 최적화하여 생성하는 것은 쉬운일이 아니기 때문에 파서 생성기는 유용

웹킷

• 플렉스 Flex (fast lexical analyzer generator)
  : lex 의 기능을 개선한 자유 소프트웨어 (문법정의 프로그램)
  : 어휘 생성을 위한 어휘 분석기 발생기

  토큰의 정규 표현식 정의를 포함한 파일을 입력 받는다. (?)

• 바이슨 Bison
  : 파서 생성을 위한 파서생성기
  : BNF 형식의 언어 구문 규칙을 입력 받는다.

  상향식 이동 감소 파서

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2. HTML 파서

HTML 파서는 HTML 마크업을 파싱 트리로 변환한다.

2-1. HTML 문법 정의

W3C 의 명세

2-2. 문맥 자유 문법이 아님

• 모든 전통적인 파서는 HTML 에 적용할 수 없다.
• 파싱은 CSS 와 자바스크립트를 파싱하는 데 사용된다.
• HTML 은 파서가 요구하는 문맥 자유 문법에 의해 쉽게 정의할 수 없다.
• HTML 은 너그럽다.
  • 암묵적으로 태그 생략이 가능하다.
  • 시작태그, 종료 태그등을 생략한다.
  • 뻣뻣하고 부담스러운 XML 에 반하여 HTML 은 유연한 문법이다.
• 공식적인 문법으로 작성하기 어렵게 만드는 문제가 있다..

2-3. HTML DTD (문석 형식 정의: Document Type Definition)

• DTD는 문맥 자유 문법이 아니다.
• HTML 정의는 DTD 형식 안에 있다. (SGML 계역 언어의 정의를 이용한 것)
• HTML5, XHTML, HTML의 세가지 문서 유형이 존재하며, 기술한 유형에 따라 마크업 문서의 요소와 속성등을 처리하는 기준이 되며 유효성 검사에 이용된다.
• 이전 버전의 HTML(HTML2~HTML4)은 SGML(Standard Generalized Markup Language)에 기반을 두어 만들어졌기 때문에 DTD 참조가 필요하며, 이 때문에 DOCTYPE 선언을 하려면 공개 식별자와 시스템 식별자가 포함된 긴 문자열을 작성해야 한다.
• HTML5에서는 SGML 에 기반을 두지 않아서 DTD 참조가 필요 없으며, 최소한의 코드 작성이 기본 방향이라 매우 간단히 선언할 수 있다.

2-4. DOM (문서 객체 모델)

• 파싱트리는 DOM 요소와 속성 노드의 트리로서 출력 트리가 된다.
• 문서 객체 모델 : HTML 문서의 객체 표현이다.
• HTML 요소의 연결지점. 즉, 트리의 최상위 객체는 문서이다.
• HTML 정의
• DOM 정의

2-5. 파싱 알고리즘

HTML 은 일반적인 하향식 혹은 상향식 파서로 파싱이 안된다.

1. 언어의 너그러운 속성
2. 잘 알려져 잇는 HTML 오류에 대한 브라우저의 관용
3. 변경에 의한 재파싱.
   일반적으로 소스는 파싱하는 동안 변하지 않지만
   HTML 에서 document.write을 포함하고 있는 스크립트 태그는 토큰을 추가할 수 있기 때문에 실제로는 입력 과정에서 파싱이 수정된다.

일반적인 파싱 기술을 사용할 수 없기 때문에 브라우저는 HTML 파싱을 위해 별도의 파서를 생성한다.

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TL;DR

• 바이트 → 문자 → 토큰 → 노드 → 객체 모델.
• HTML 마크업은 DOM(Document Object Model)으로 변환되고, CSS 마크업은 CSSOM(CSS Object Model)으로 변환됩니다.
• DOM 및 CSSOM 은 서로 독립적인 데이터 구조입니다.
• Chrome DevTools Timeline 을 사용하면 DOM 및 CSSOM 의 생성 및 처리 비용을 수집하고 점검할 수 있습니다.

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알고리즘은 토큰화와 트리구축 이렇게 2 단계로 되어 있다.

1. byte stream decoder

• 브라우저가 HTML 의 원시 바이트를 디스크나 네트워크에서 읽어와서, 해당 파일에 대해 지정된 인코딩(예: UTF-8)에 따라 개별 문자로 변환합니다.

2. 토큰화

• 어휘 분석(lexical analysis)으로서 입력 값을 토큰으로 파싱한다.
• HTML 에서 토큰은 시작 태그, 종료 태그, 속성 이름과 속성 값이다.

3. 트리구축

• 토큰을 인지해서 트리 생성자로 넘기고 => 다른 토큰을 확인하기 위해 다음 문자를 확인
• 이 과정을 반복

(HTML 파싱 과정그림)

아래가 더 세분화된 과정

2-5-1. 토큰화 알고리즘

• 알고리즘의 결과물은 HTML 토큰
• 알고리즘은 상태기계라고 볼 수 있다.
• 각 상태는 하나 이상의 연속된 문자를 입력받아 이 문자에 따라 다음 상태를 갱신

예시 >

<html>
  <body>
    Hello world
  </body>
</html>

0.초기상태 : 자료 상태

<html> <body>

1. 태그 열림 상태 : < 문자를 만나면 변함
2. 태그 이름 상태
   : a 부터 z 까지의 문자를 만나면 시작 태그 토큰생성
   : >를 만날 때까지 유지한다.
   : 각 문자에는 새로운 토큰 이름이 붙는다. 이때 생성된 토큰은 html 토큰
3. 자료 상태 : >문자에 도달하면 현재 토큰이 발행된다.

Hello world

1. 문자 토큰 생성 발행
2. <문자를 만날 때까지 진행

</body> </html>

1. 태그 열림 상태
2. 태그 이름 상태 : /문자는 종료 태그 토큰 생성
3. 자료 상태 : >문자에 도달하면 현재 토큰이 발행된다.

2-5-2. 트리 구축 알고리즘

• 파서 생성 후 문서 객체 생성
• 트리 구축이 진행되는 동안, 문서 최상단에서는 DOM 트리가 수정되고 요소가 추가된다.
• 토큰화에 의해 발행된 각 노드는 트리 생성자에 의해 처리된다.
• 각 토큰을 위한 DOM 요소의 명세는 정의되어 있다.
• DOM 트리에 요소를 추가하는 것이 아니라면 열린 요소는 스택(임시 버퍼 저장소)에 추가된다.
• 이 스택은 부정확한 중첩과 종료되지 않은 태그를 교정한다.
• 알고리즘은 상태 기계라고 설명할 수 있고 상태는 삽입 모드 라고 부른다.

예시 >

<html>
  <body>
    Hello world
  </body>
</html>

• 트리 구축 단계의 입력 값은 토큰화 단계에서 만들어지는 일련의 토큰이다.
• 노드화

• 초기모드
  : 받은 html 토큰은 html 이전 모드가 되면서 이 모드에서 처리된다.
  : 이것은 HTMLHtmlElement 요소를 생성하고 문서 객체의 최상단에 추가된다.
• head 이전 모드
  : “body” 토큰을 받았다.
• head 안쪽 모드
  : “head” 토큰이 없더라도 HTMLHeadElement 는 묵시적으로 생성되어 트리에 추가될 것이다.
• head 다음 모드
  : body 토큰이 처리 되었고 (토큰화) HTMLBodyElement 가 생성되어 추가됐으며 “body 안쪽” 모드가 되었다.
• body 안쪽 모드
  : 문자토큰 받음(Hellow world)
  : 첫 번째 토큰이 생성되고 “본문” 노드가 추가되면서 다른 문자들이 그 노드에 추가될 것이다.
• body 다음 모드
  : body 종료 토큰을 받으면
• body 다음 다음 모드
  : html 종료 토큰을 받으면

2-8. 파싱이 끝난 이후의 동작

• 문서 파싱 이후에 실행되어야 하는 “지연” 모드 스크립트를 파싱하기 시작한다.
• 문서 상태는 “완료 complete”가 되고 load이벤트가 발생한다. 보다 자세한 내용은 HTML5 의 토큰화 알고리즘과 트리 구축에서 볼 수 있다.

2-9. 브라우저의 오류 처리

HTML 페이지에서 “유효하지 않은 구문”이라는 오류는 볼 수 없는데,
이는 브라우저가 모든 오류 구문을 교정하기 때문이다.

파서는 토큰화된 입력 값을 파싱하여 문서를 만들고 문서 트리를 생성한다.
때문에 파서는 적어도 다음과 같은 오류를 처리해야한다.

1. 어떤 태그의 안쪽에 추가하려는 태그가 금지된 것일 때 일단 허용된 태그를 먼저 닫고 금지된 태그는 외부에 추가한다.
2. 파서가 직접 요소를 추가해서는 안된다. 문서 제작자에 의해 뒤늦게 요소가 추가될 수 있고 생략 가능한 경우도 있다. HTML, HEAD, BODY, TBODY, TR, TD, LI 태그가 이런 경우에 해당한다.
3. 인라인 요소 안쪽에 블록 요소가 있는 경우 부모 블록 요소를 만날 때까지 모든 인라인 태그를 닫는다.
4. 이런 방법이 도움이 되지 않으면 태그를 추가하거나 무시할 수 있는 상태가 될 때까지 요소를 닫는다.

< 웹킷의 오류 처리하는 예 >

2-9-1. <br> 대신 </br>

• 어떤 사이트는 <br> 대신 </br>을 사용한다.
• 인터넷 익스플로러, 파이어폭스와 호환성을 갖기 위해 웹킷은 이것을 <br>으로 간주한다.

2-9-2. 어긋난 표

어긋난 표는 표 안에 또 다른 표가 th 또는 td 셀 내부에 있지 않은 것을 의미한다.
웹킷은 표의 중첩을 분해하여 형제 요소가 되도록 처리한다.

2-9-3. 중첩된 폼 요소

폼 안에 또 다른 폼을 넣은 경우 안쪽의 폼은 무시된다.

2-9-4. 태그 중첩이 너무 깊을 때

최대 20 개의 중첩만 허용하고 나머지는 무시한다.

2-9-5. 잘못 닫힌 html 또는 body 태그

깨진 html 을 지원한다. 일부 바보 같은 페이지는 문서가 끝나기 전에 body 를 닫아버리기 때문에 브라우저는 body 태그를 닫지 않는다. 대신 종료를 위해 end()를 호출한다.

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DOM 트리는 문서 마크업의 속성 및 관계를 포함하지만 요소가 렌더링될 때 어떻게 표시될지에 대해서는 알려주지 않습니다.
이것은 CSSOM 의 역할.

3. CSS 파싱

• 문맥 자유 문법이다. 때문에 일반적인 파서 유형을 이용하여 파싱이 가능하다.
• CSS 명세
• 어휘 문법은 각 토큰을 위한 정규 표현식으로 정의되어 있다.
• 구문 문법은 BNF 로 설명되어 있다.

3-1. 웹킷 CSS 파서

• 웹킷은 자동으로 파서를 생성하기 위해 플렉스와 바이슨 파서 생성기를 사용한다.
• 웹킷의 바이슨을 사용하여 상향식 이동 감소 파서를 생성
• 파이어폭스 : 직접 작성한 하양식 파서를 사용한다.
• 모두 CSS 파일은 스타일 시트 객체로 파싱되고, CSS 규칙을 포함한다.

3-2. 브라우저별 사용자 에이전트 스타일

• 위의 트리는 완전한 CSSOM 트리가 아니고 스타일시트에서 재정의하도록 결정한 스타일만 표시한다는 점에 유의
• 모든 브라우저는 ‘사용자 에이전트 스타일’이라고 하는 기본 스타일 집합, 즉 개발자가 고유한 스타일을 제공하지 않을 경우 표시되는 스타일을 제공합니다.
• 개발자가 작성하는 스타일은 이러한 기본 스타일(예: 기본 IE 스타일)을 간단하게 재정의합니다.

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4. 스크립트와 스타일 시트의 진행 순서

4-1. 스크립트

• 웹은 파싱과 실행이 동시에 수행되는 동기화 모델이다.
• <script>태그를 만나서 실행되는 동안 문서의 파싱은 중단된다. (그래서 바디 전에 넣음)
• 스크립트가 외부에 있는 경우 우선 네트워크로부터 자원을 가져와야 하는데 이 또한 실시간으로 처리되고 자원을 받을 때까지 파싱은 중단된다.
• 스크립트를 “지연(defer)”으로 표시할 수 있는데 지연으로 표시하게 되면 문서 파싱은 중단되지 않고 문서 파싱이 완료된 이후에 스크립트가 실행된다. (비동기)

4-2. 예측 파싱 (Speculative parsing)

• 스크립트를 실행하는 동안 다른 스레드는 네트워크로부터 다른 자원을 찾아 내려받고 문서의 나머지 부분을 파싱한다.
• 이런 방법은 자원을 병렬로 연결하여 받을 수 있고 전체적인 속도를 개선한다.
• 참고로 예측 파서는 DOM 트리를 수정하지 않고 메인 파서의 일로 넘긴다. 예측 파서는 외부 스크립트, 외부 스타일 시트와 외부 이미지와 같이 참조된 외부 자원을 파싱할 뿐이다.

4-3. 스타일 시트

• 이론적으로 스타일 시트는 DOM 트리를 변경하지 않기 때문에 문서 파싱을 기다리거나 중단할 이유가 없다.
• 그러나 스크립트가 문서를 파싱하는 동안 스타일 정보를 요청하는 경우라면 문제가 된다.
• 스타일이 파싱되지 않은 상태라면 스크립트는 잘못된 결과를 내놓기 때문에 많은 문제를 야기한다.
• 파이어폭스는 아직 로드 중이거나 파싱 중인 스타일 시트가 있는 경우 모든 스크립트의 실행을 중단한다.
• 웹킷은 로드되지 않은 스타일 시트 가운데 문제가 될만한 속성이 있을 때에만 스크립트를 중단한다.

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참고링크

1. https://d2.naver.com/helloworld/59361
2. https://developers.google.com/web
3. https://developers.google.com/web/fundamentals/performance/critical-rendering-path/constructing-the-object-model?hl=ko
4. [WEBDIR] http://webdir.tistory.com/40
5. https://developers.google.com/web/fundamentals/performance/critical-rendering-path/constructing-the-object-model?hl=ko