从浏览器多进程到JS单线程

2020-05-19  本文已影响0人  这个前端不太冷
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前言

最近发现有不少介绍JS单线程运行机制的文章，但是发现很多都仅仅是介绍某一部分的知识，而且各个地方的说法还不统一，容易造成困惑。
因此准备梳理这块知识点，结合已有的认知，基于网上的大量参考资料，
从浏览器多进程到JS单线程，将JS引擎的运行机制系统的梳理一遍。

内容是：从浏览器进程，再到浏览器内核运行，再到JS引擎单线程，再到JS事件循环机制，从头到尾系统的梳理一遍，摆脱碎片化，形成一个知识体系

目标是：看完这篇文章后，对浏览器多进程，JS单线程，JS事件循环机制这些都能有一定理解，
有一个知识体系骨架，而不是似懂非懂的感觉。

另外，本文适合有一定经验的前端人员，新手请规避，避免受到过多的概念冲击。可以先存起来，有了一定理解后再看，也可以分成多批次观看，避免过度疲劳。见解有限，如有描述不当之处，请帮忙及时指出，如有错误，会及时修正。

框架总览

区分进程和线程

线程和进程区分不清，是很多新手都会犯的错误，没有关系。这很正常。先看看下面这个形象的比喻：

- 进程是一个工厂，工厂有它的独立资源

- 工厂之间相互独立

- 线程是工厂中的工人，多个工人协作完成任务

- 工厂内有一个或多个工人

- 工人之间共享空间

然后再巩固下：

如果是windows电脑中，可以打开任务管理器，可以看到有一个后台进程列表。对，那里就是查看进程的地方，而且可以看到每个进程的内存资源信息以及cpu占有率。


image.png

所以，应该更容易理解了：

tips

浏览器是多进程的

理解了进程与线程了区别后，接下来对浏览器进行一定程度上的认识：（先看下简化理解）

关于以上几点的验证，请再第一张图：

image.png

图中打开了Chrome浏览器的多个标签页，然后可以在Chrome的任务管理器中看到有多个进程（分别是每一个Tab页面有一个独立的进程，以及一个主进程）。
感兴趣的可以自行尝试下，如果再多打开一个Tab页，进程正常会+1以上

注意：在这里浏览器应该也有自己的优化机制，有时候打开多个tab页后，可以在Chrome任务管理器中看到，有些进程被合并了
（所以每一个Tab标签对应一个进程并不一定是绝对的）

浏览器都包含哪些进程？

知道了浏览器是多进程后，再来看看它到底包含哪些进程：（为了简化理解，仅列举主要进程）

  1. Browser进程：浏览器的主进程（负责协调、主控），只有一个。作用有

    • 负责浏览器界面显示，与用户交互。如前进，后退等
    • 负责各个页面的管理，创建和销毁其他进程
    • 将浏览器渲染进程得到的内存中的Bitmap，绘制到用户界面上
    • 网络资源的管理，下载等

  2. 第三方插件进程：每种类型的插件对应一个进程，仅当使用该插件时才创建

  3. GPU进程：最多一个，用于3D绘制等

  4. 浏览器渲染进程（Renderer进程，内部是多线程的）：默认每个Tab页面一个进程，互不影响。主要作用为
    页面渲染，脚本执行，事件处理等

强化记忆：在浏览器中打开一个网页相当于新起了一个进程（进程内有自己的多线程）
如果浏览器是单进程，那么某个Tab页崩溃了，就影响了整个浏览器，体验有多差；同理如果是单进程，插件崩溃了也会影响整个浏览器；而且多进程还有其它的诸多优势。。。

当然，浏览器有时会将多个进程合并（譬如打开多个空白标签页后，会发现多个空白标签页被合并成了一个进程），如图

image.png

另外，可以通过Chrome的更多工具 -> 任务管理器自行验证。接下来重点讲浏览器渲染进程。

浏览器渲染进程

重点来了，我们可以看到，上面提到了这么多的进程，那么，对于普通的前端操作来说，最重要的是什么呢？答案是浏览器渲染进程

可以这样理解，页面的渲染，JS的执行，事件的循环，都在这个进程内进行。接下来看看它都包含了哪些线程（列举一些主要常驻线程）：

  1. GUI渲染线程

    • 负责渲染浏览器界面，解析HTML，CSS，构建DOM树和RenderObject树，布局和绘制等。
    • 当界面需要重绘（Repaint）或由于某种操作引发回流(reflow)时，该线程就会执行
    • 注意，GUI渲染线程与JS引擎线程是互斥的，当JS引擎执行时GUI线程会被挂起（相当于被冻结了），GUI更新会被保存在一个队列中等到JS引擎空闲时立即被执行。

  2. JS引擎线程

    • 也称为JS内核，负责处理Javascript脚本程序。（例如V8引擎）
    • JS引擎线程负责解析Javascript脚本，运行代码。
    • JS引擎一直等待着任务队列中任务的到来，然后加以处理，一个Tab页（renderer进程）中无论什么时候都只有一个JS线程在运行JS程序
    • 同样注意，GUI渲染线程与JS引擎线程是互斥的，所以如果JS执行的时间过长，这样就会造成页面的渲染不连贯，导致页面渲染加载阻塞。

  3. 事件触发线程

    • 归属于浏览器而不是JS引擎，用来控制事件循环（可以理解，JS引擎自己都忙不过来，需要浏览器另开线程协助）
    • 当JS引擎执行代码块如setTimeOut时（也可来自浏览器内核的其他线程,如鼠标点击、AJAX异步请求等），会将对应任务添加到事件线程中
    • 当对应的事件符合触发条件被触发时，该线程会把事件添加到待处理队列的队尾，等待JS引擎的处理
    • 注意，由于JS的单线程关系，所以这些待处理队列中的事件都得排队等待JS引擎处理（当JS引擎空闲时才会去执行）

  4. 定时触发器线程

    • 传说中的setInterval与setTimeout所在线程
    • 浏览器定时计数器并不是由JavaScript引擎计数的,（因为JavaScript引擎是单线程的, 如果处于阻塞线程状态就会影响记计时的准确）
    • 因此通过单独线程来计时并触发定时（计时完毕后，添加到事件队列中，等待JS引擎空闲后执行）
    • 注意，W3C在HTML标准中规定，规定要求setTimeout中低于4ms的时间间隔算为4ms。

  5. 异步http请求线程

    • 在XMLHttpRequest在连接后是通过浏览器新开一个线程请求
    • 将检测到状态变更时，如果设置有回调函数，异步线程就产生状态变更事件，将这个回调再放入事件队列中。再由JavaScript引擎执行。

看到这里，如果觉得累了，可以先休息下，这些概念需要被消化，毕竟后续将提到的事件循环机制就是基于事件触发线程的，所以如果仅仅是看某个碎片化知识，
可能会有一种似懂非懂的感觉。要完成的梳理一遍才能快速沉淀，不易遗忘。放张图巩固下吧：

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Browser进程和浏览器内核（Renderer进程）的通信过程

看到这里，首先，应该对浏览器内的进程和线程都有一定理解了，那么接下来，再谈谈浏览器的Browser进程（控制进程）是如何和内核通信的，
这点也理解后，就可以将这部分的知识串联起来，从头到尾有一个完整的概念。

如果自己打开任务管理器，然后打开一个浏览器，就可以看到：任务管理器中出现了两个进程（一个是主控进程，一个则是打开Tab页的渲染进程），
然后在这前提下，看下整个的过程：(简化了很多)

看完这一整套流程，应该对浏览器的运作有了一定理解了，这样有了知识架构的基础后，后续就方便往上填充内容。

梳理浏览器内核中线程之间的关系

到了这里，已经对浏览器的运行有了一个整体的概念，接下来，先简单梳理一些概念

GUI渲染线程与JS引擎线程互斥

由于JavaScript是可操纵DOM的，如果在修改这些元素属性同时渲染界面（即JS线程和UI线程同时运行），那么渲染线程前后获得的元素数据就可能不一致了。

因此为了防止渲染出现不可预期的结果，浏览器设置GUI渲染线程与JS引擎为互斥的关系，当JS引擎执行时GUI线程会被挂起，
GUI更新则会被保存在一个队列中等到JS引擎线程空闲时立即被执行。

JS阻塞页面加载

从上述的互斥关系，可以推导出，JS如果执行时间过长就会阻塞页面。

譬如，假设JS引擎正在进行巨量的计算，此时就算GUI有更新，也会被保存到队列中，等待JS引擎空闲后执行。
然后，由于巨量计算，所以JS引擎很可能很久很久后才能空闲，自然会感觉到巨卡无比。

所以，要尽量避免JS执行时间过长，这样就会造成页面的渲染不连贯，导致页面渲染加载阻塞的感觉。

简单梳理下浏览器渲染流程

本来是直接计划开始谈JS运行机制的，但想了想，既然上述都一直在谈浏览器，直接跳到JS可能再突兀，因此，中间再补充下浏览器的渲染流程（简单版本）

为了简化理解，前期工作直接省略成：（要展开的或完全可以写另一篇超长文）

- 浏览器输入url，浏览器主进程接管，开一个下载线程，
然后进行 http请求（略去DNS查询，IP寻址等等操作），然后等待响应，获取内容，
随后将内容通过RendererHost接口转交给Renderer进程

- 浏览器渲染流程开始

浏览器器内核拿到内容后，渲染大概可以划分成以下几个步骤：

  1. 解析html建立dom树
  2. 解析css构建render树（将CSS代码解析成树形的数据结构，然后结合DOM合并成render树）
  3. 布局render树（Layout/reflow），负责各元素尺寸、位置的计算
  4. 绘制render树（paint），绘制页面像素信息
  5. 浏览器会将各层的信息发送给GPU，GPU会将各层合成（composite），显示在屏幕上。

所有详细步骤都已经略去，渲染完毕后就是load事件了，之后就是自己的JS逻辑处理了

既然略去了一些详细的步骤，那么就提一些可能需要注意的细节把。

这里重绘参考来源中的一张图：


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从Event Loop谈JS的运行机制

到此时，已经是属于浏览器页面初次渲染完毕后的事情，JS引擎的一些运行机制分析。

注意，这里不谈可执行上下文，VO，scop chain等概念（这些完全可以整理成另一篇文章了），这里主要是结合Event Loop来谈JS代码是如何执行的。

读这部分的前提是已经知道了JS引擎是单线程，而且这里会用到上文中的几个概念：（如果不是很理解，可以回头温习）

然后再理解一个概念：

看图：

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tips：看到这里，应该就可以理解了：为什么有时候setTimeout推入的事件不能准时执行？因为可能在它推入到事件列表时，主线程还不空闲，正在执行其它代码，所以自然有误差。

事件循环机制进一步补充

这里就直接引用一张图片来协助理解：（参考自Philip Roberts的演讲《Help, I'm stuck in an event-loop》）

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上图大致描述就是：

栈中的代码调用某些api时，它们会在事件队列中添加各种事件（当满足触发条件后，如ajax请求完毕）

单独说说定时器

上述事件循环机制的核心是：JS引擎线程和事件触发线程

但事件上，里面还有一些隐藏细节，譬如调用setTimeout后，是如何等待特定时间后才添加到事件队列中的？

是JS引擎检测的么？当然不是了。它是由定时器线程控制（因为JS引擎自己都忙不过来，根本无暇分身）

为什么要单独的定时器线程？因为JavaScript引擎是单线程的, 如果处于阻塞线程状态就会影响记计时的准确，因此很有必要单独开一个线程用来计时。

什么时候会用到定时器线程？当使用setTimeout或setInterval时，它需要定时器线程计时，计时完成后就会将特定的事件推入事件队列中。

譬如:

setTimeout(function(){
    console.log('hello!');
}, 1000);

这段代码的作用是当1000毫秒计时完毕后（由定时器线程计时），将回调函数推入事件队列中，等待主线程执行

setTimeout(function(){
    console.log('hello!');
}, 0);

console.log('begin');

这段代码的效果是最快的时间内将回调函数推入事件队列中，等待主线程执行

注意：

(不过也有一说是不同浏览器有不同的最小时间设定)

setTimeout而不是setInterval

用setTimeout模拟定期计时和直接用setInterval是有区别的。

因为每次setTimeout计时到后就会去执行，然后执行一段时间后才会继续setTimeout，中间就多了误差
（误差多少与代码执行时间有关）

而setInterval则是每次都精确的隔一段时间推入一个事件
（但是，事件的实际执行时间不一定就准确，还有可能是这个事件还没执行完毕，下一个事件就来了）

而且setInterval有一些比较致命的问题就是：

就会导致定时器代码连续运行好几次，而之间没有间隔。
就算正常间隔执行，多个setInterval的代码执行时间可能会比预期小（因为代码执行需要一定时间）

它会把setInterval的回调函数放在队列中，等浏览器窗口再次打开时，一瞬间全部执行时

所以，鉴于这么多但问题，目前一般认为的最佳方案是：用setTimeout模拟setInterval，或者特殊场合直接用requestAnimationFrame

补充：JS高程中有提到，JS引擎会对setInterval进行优化，如果当前事件队列中有setInterval的回调，不会重复添加。不过，仍然是有很多问题。。。

事件循环进阶：macrotask与microtask

这段参考了参考来源中的第2篇文章（英文版的），（加了下自己的理解重新描述了下），
强烈推荐有英文基础的同学直接观看原文，作者描述的很清晰，示例也很不错，如下：

https://jakearchibald.com/2015/tasks-microtasks-queues-and-schedules/

上文中将JS事件循环机制梳理了一遍，在ES5的情况是够用了，但是在ES6盛行的现在，仍然会遇到一些问题，譬如下面这题：

console.log('script start');

setTimeout(function() {
    console.log('setTimeout');
}, 0);

Promise.resolve().then(function() {
    console.log('promise1');
}).then(function() {
    console.log('promise2');
});

console.log('script end');

嗯哼，它的正确执行顺序是这样子的：

script start
script end
promise1
promise2
setTimeout

为什么呢？因为Promise里有了一个一个新的概念：microtask

或者，进一步，JS中分为两种任务类型：macrotask和microtask，在ECMAScript中，microtask称为jobs，macrotask可称为task

它们的定义？区别？简单点可以按如下理解：

（`task->渲染->task->...`）

分别怎么样样的场景会形成macrotask和microtask呢？

补充：在node环境下，process.nextTick的优先级高于Promise，也就是可以简单理解为：在宏任务结束后会先执行微任务队列中的nextTickQueue部分，然后才会执行微任务中的Promise部分。

参考：https://segmentfault.com/q/1010000011914016

再根据线程来理解下：

（这点由自己理解+推测得出，因为它是在主线程下无缝执行的）

所以，总结下运行机制：

如图：

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由于js引擎线程和GUI线程是互斥的，当j浏览器js执行时间过长将会造成页面卡顿，不能及时响应用户的交互。所以。React Fiber给出了解决方案。下一篇文章将会着重讲一下。

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