浏览器的进程模型

什么是进程

程序运行需要拥有它自己的一块内存空间，可以简单的将这块内存空间理解为进程。

每个应用至少有一个进程，进程与进程之间相互独立，不同的进程之间需要通信，双方都必须同意。

什么是线程

有了进程，就可以运行程序的代码了。

运行代码的人就成为线程。一个进程至少有一个线程，所有进程在开启之后会自动的创建一个线程来运行代码，该线程称之为主线程。如果程序需要同时执行多块代码，主线程就会启动更多的线程来执行代码，即一个进程可以包含多个线程。

如果把进程理解为老板，那么线程就是这个老板所管的一个个车间。老板需求小能力小，那么车间可能就一个，能力大需求大，那么可能就会存在多个车间。

浏览器

浏览器是一个多进程多线程的应用程序。

像浏览器这种内部工作极其复杂的程序，为了减少一个崩溃引发连环崩溃的几率，浏览器会启动多个进程。比如浏览器进程、网络进程、渲染进程等等。

可以在浏览器的任务管理器中查看当前的所有进程

其中，最主要的进程有：

  1. 浏览器进程
    主要负责界面显示、用户交互、子进程管理等。浏览器进程内部会启动多个线程处理不同的任务。
  2. 网络进程
    负责加载网络资源。网络进程内部会启动多个线程来处理不同的网络任务。
  3. 渲染进程
    渲染进程启动后，会开启一个渲染主线程。这个主线程负责执行 HTML、CSS、JS 代码。
    默认情况下，浏览器会为每个标签页开启一个新的渲染进程，以保证不同的标签页之间不会互相影响。这也是常说 Chrome 浏览器吃内存的原因了

该默认模式可能会随着技术发展、用户体验而有所更改，可参见 chrome 官方说明文档

渲染主线程

渲染主线程是浏览器中最为繁忙的线程，需要它处理的任务包括但不限于：

  • 解析 HTML
  • 解析 CSS
  • 计算样式
  • 布局
  • 处理图层
  • 每秒把页面画 60 次
  • 执行全局 JS 代码
  • 执行事件处理函数
  • 执行计时器的回调函数
  • ……

为什么渲染进程不使用多个线程来处理这些事情？

要处理这么多的任务，就必须设计一个精妙的调度处理方案：排队。

事件循环-排队

  1. 在最开始的时候，渲染主线程会进入一个无限循环。
  2. 每一次循环会检查消息队列中是否有任务存在。如果有，就取出第一个任务执行，执行完之后进入下一次循环；如果没有，则进入休眠状态。
  3. 其他所有线程（包括其他进程的线程）可以随时向消息队列添加任务。新任务会加到消息队列的末尾。在添加新任务时，如果主线程是休眠状态，则会将其唤醒以继续循环拿取任务。

这样一来，每个任务都可以被可持续的、有条不紊的执行下去了。

这整个过程，被称为事件循环（消息循环）

W3C 官网将这一过程称为 event loop，而谷歌浏览器的具体源代码实现方案中将其称为 message loop。两者其实是一个东西，只是命名不同。

思考

在知道了上述过程的工作流程原理之后，我们就能解释许多现象或者名词了。

异步

代码在执行过程中，会遇到一些无法立即处理的任务。比如：

  • 计时完成之后执行某个任务：setTimeout、setInterval
  • 网络通信完成之后执行某个任务：XHR、Fetch
  • 用户操作之后需要执行某个任务：addEventListener
  • ……

如果让渲染主线程等待这些任务的时机到达，就会使得主线程长期处于 "阻塞" 的状态，进而导致浏览器出现 "卡死" 现象。同步代码执行导致阻塞示例如下：

事件循环-同步

同步地执行代码虽然能使得代码执行的时间线同步，但是带来的坏处实在太过巨大，完全不能瑕不掩瑜。

所以，渲染主线程承担着极其重要的工作，无论如何都不能阻塞。

因此，浏览器选择异步来解决该问题：

事件循环-异步

使用异步的方式，渲染主线程永不堵塞。

面试题：如何理解 JS 的异步？

JS 是一门单线程的语言，这是因为它运行在浏览器的渲染主线程中，而渲染主线程只有一个。
渲染主线程承担着诸多任务，渲染页面、执行 JS 等等，这些任务都在其中运行。
如果使用同步的方式，就极有可能导致主线程堵塞，从而导致消息队列中的其他任务无法得到执行。
这样一来，主线程被堵塞白白浪费时间，页面无法及时更新，用户看到页面卡死现象，造成不好的体验。

所以浏览器采用异步的方式来避免。具体来说，当某些任务发生时，比如计时器、网络、事件监听等，主线程会将任务交给其他线程去处理，自身立即结束当前任务的执行，转而执行后续任务。当其他线程完成时，会将事先传递的回调函数包装成任务，加入到消息队列的末尾进行排队，等待主线程调度执行。

在这种异步模式下，浏览器永不阻塞，最大限度的保证了单线程的流畅运行。

JS 为什么会阻碍渲染

假设有以下的代码：

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<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <title>事件循环</title>
</head>
<body>
<h1>事件循环</h1>
<button id="btn">点我改变文字</button>
<script>
  const h1 = document.querySelector('h1');
  const btn = document.querySelector('#btn');
  const delay = (ms) => {
    let start = Date.now();
    while (Date.now() - start < ms) {
    }
  }
  btn.onclick = () => {
    h1.textContent = 'Hello, World!';
    delay(3000);
  }
</script>
</body>
</html>

思考思考，已知更改 h1 的内容代码在调用 delay() 函数的前面，那么点击了页面的按钮会发生什么事？

查看参考答案

在点击按钮之后，页面会卡死 3s 左右，然后事件循环才变成 Hello, World!。

具体来说，最开始渲染主线程在执行全局 JS（当然也会有其他任务，但相对于目前的简单环境来说，你可以认为那些任务被执行的极快，可忽略它们的影响，我们只关注 JS），从 const h1 执行到 btn.onClick 发现一个点击事件，于是告知交互线程需要对按钮进行监听，到此渲染主线程将全局 JS 执行完毕。

全局 JS 被执行完毕之后，渲染主线程因为没有其他任务进入休眠状态。直到用户点击了按钮，此时交互线程监听到按钮被点击，于是将回调函数包装成任务放到消息队列，渲染主线程因此被唤醒开始执行回调。

回调函数中，首先被执行的是 h1.textContent = 'Hello, World!'，对 dom 的文本进行了设置，然后产生渲染任务放入消息队列，结束当前代码行执行下一行 delay(3000)。也就是说，文本 dom 确实被正确设置了，但是用户肉眼是看不到的，必须等浏览器将内容绘制出来，而这个等待的时间就是 delay() 阻塞的时间加上绘制任务被拿取到渲染主线程进行执行的时间。

上述 delay+ 任务拿取时间的总和是大于我们设定的 3000ms 的，这也是计时器不精准的一部分原因。

任务存在优先级吗

任务没有优先级，在消息队列中先进先出，但是消息队列存在优先级。

根据 W3C 的解释：

  • 每个任务都有一个任务类型，同一个类型的任务必须在一个队列，不同类型的任务可以分属不同的队列。在一次事件循环中，浏览器可以根据实际情况从不同的队列中取出任务执行。
  • 浏览器必须准备好一个微队列，微队列中的任务优先于其他所有任务执行。

参考文档：https://html.spec.whatwg.org/multipage/webappapis.html#perform-a-microtask-checkpoint

关键句：While the event loop's microtask queue is not empty

随着浏览器的复杂度急剧提升，W3C 不再使用宏队列的说法

在目前的 chrome 的实现中，至少包含了下面的队列：

  • 延时队列：用于存放计时器到达后的回调任务，优先级：中
  • 交互队列：用于存放用户操作后产生的事件处理任务，优先级：高
  • 微队列：存放需要最快执行的任务，优先级：最高

添加任务到微队列的主要方式是使用 Promise、MutationObserver，例如：

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Promise.resolve().then(fn)

当然，浏览器还存在其他很多队列，由于和我们开发关系不大，不在此介绍了。

小栗子

假设有以下代码：

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const a = () => {
  console.log(1)
  Promise.resolve().then(() => {
    console.log(2)
  })
}
setTimeout(() => {
  console.log(3)
  Promise.resolve().then(a)
}, 0)
Promise.resolve().then(() => {
  console.log(4)
})
console.log(5)

思考，上述代码输出结果是什么？

查看参考答案

上述代码将输出：

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4
3
1
2

简单来说执行先后为：

  1. 执行全局 JS
  2. 0s 到了，将计时交给计时线程，产生任务放入延时队列
  3. 将 log(4) 任务放入微队列
  4. 执行 log(5) 任务，全局 JS 任务完毕
  5. 执行微队列任务 log(4)
  6. 延时队列任务被执行，先执行 log(3)，再将 fn a 放入微队列
  7. 微队列任务被执行，先执行 log(1)，然后又将 log(2) 放入微队列
  8. log(2) 被执行

小结

阐述 JS 事件循环？

事件循环又叫做消息循环，是浏览器渲染主线程的工作方式。
在 Chrome 的源码中，它开启一个不会结束的 for 循环，每次循环从消息队列中取出第一个任务执行，而其
他线程只需要在合适的时候将任务加入到队列末尾即可。
过去把消息队列简单分为宏队列和微队列，这种说法目前已无法满足复杂的浏览器环境，取而代之的是一种更加灵活多变的处理方式。
根据 W3C 官方的解释，每个任务有不同的类型，同类型的任务必须在同一个队列，不同的任务可以属于不同的队列。不同任务队列有不同的优先级，在一次事件循环中，由浏览器自行决定取哪一个队列的任务。但浏览器必须有一个微队列，微队列的任务一定具有最高的优先级，必须优先调度执行。

JS 中的计时器为什么做不到精确计时？

  1. 计算机硬件没有原子钟，无法做到精确计时。
  2. 操作系统的计时函数本身就有少量偏差，由于 JS 的计时器最终调用的是操作系统的函数，也就携带了这些偏差。
  3. 按照 W3C 的标准，例如 Chrome 浏览器实现计时器时，如果嵌套层级超过 5 层，则会带有 4 毫秒的最少时间，这样在计时时间少于 4 毫秒时又带来了偏差。
  4. 受事件循环的影响，计时器的回调函数只能在主线程空闲时运行，因此又带来了偏差。