浏览器原理机制

2020-07-01 本文已影响0人菊花泡茶

浏览器架构

用户界面
主进程
内核
- 渲染引擎
- JS 引擎
  - 执行栈
- 事件触发线程
  - 消息队列
    - 微任务
    - 宏任务
- 网络异步线程
- 定时器线程

浏览器是多进程的

每打开一个Tab页，就相当于创建了一个独立的浏览器进程，可以在Chrome的任务管理器中看到。（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）

浏览器包含哪些进程

Browser进程

浏览器的主进程，协调控制其他子进程（创建、销毁）
浏览器界面显示，用户交互，前进、后退、收藏
将渲染进程得到的内存中的Bitmap，绘制到用户界面上
处理不可见操作，网络请求，文件访问等

GPU进程

用于3D绘制等（最多一个）

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

渲染进程（浏览器内核）

负责页面渲染，脚本执行，事件处理等
默认每个tab页一个渲染进程

浏览器多进程的优势

相比于单进程浏览器，多进程有如下优点：

避免单个page crash影响整个浏览器
避免第三方插件crash影响整个浏览器
多进程充分利用多核优势
方便使用沙盒模型隔离插件等进程，提高浏览器稳定性

缺点：内存消耗更大

浏览器内核（渲染进程）

GUI渲染线程

负责渲染页面，解析，构建，布局和绘制
页面需要重绘和回流时，该线程就会执行
与js引擎线程互斥，防止渲染结果不可预期

JS引擎线程

负责处理解析和执行javascript脚本程序
只有一个JS引擎线程（单线程）
与GUI渲染线程互斥，防止渲染结果不可预期

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（鼠标点击、setTimeout、ajax等）
JS引擎执行包含事件的代码块时，会将对应任务添加到事件线程中
当事件满足触发条件时，将事件放入到JS引擎所在的执行队列尾部，等待JS引擎的处理

定时触发器线程

setInterval与setTimeout所在的线程
定时任务并不是由JS引擎计时的，是由定时触发线程来计时的
计时完毕后，通知事件触发线程

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
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。

Browser进程和Renderer进程的通信过程

Browser进程收到用户请求，首先需要获取页面内容（譬如通过网络下载资源），随后将该任务通过RendererHost接口传递给Render进程
Renderer进程的Renderer接口收到消息，简单解释后，交给渲染线程，然后开始渲染
- 渲染线程接收请求，加载网页并渲染网页，这其中可能需要Browser进程获取资源和需要GPU进程来帮助渲染
- 当然可能会有JS线程操作DOM（这样可能会造成回流并重绘）
- 最后Render进程将结果传递给Browser进程
Browser进程接收到结果并将结果绘制出来

javascript 是单线程的

首先是历史原因，在创建 javascript 这门语言时，多进程多线程的架构并不流行，硬件支持并不好。

其次是因为多线程的复杂性，多线程操作需要加锁，编码的复杂性会增高。

如果同时操作 DOM ，在多线程不加锁的情况下，最终会导致 DOM 渲染的结果不可预期。

GUI 渲染线程与 JS 引擎线程互斥

由于 JS 是可以操作 DOM 的，如果同时修改元素属性并同时渲染界面(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，浏览器设定 GUI渲染线程和JS引擎线程为互斥关系，当JS引擎线程执行时GUI渲染线程会被挂起，GUI更新则会被保存在一个队列中等待JS引擎线程空闲时立即被执行。

WebWorker，JS的多线程？

前文中有提到JS引擎是单线程的，而且JS执行时间过长会阻塞页面，那么JS就真的对cpu密集型计算无能为力么？

所以，后来HTML5中支持了Web Worker。

MDN的官方解释是：

Web Worker为Web内容在后台线程中运行脚本提供了一种简单的方法。线程可以执行任务而不干扰用户界面

一个worker是使用一个构造函数创建的一个对象(e.g. Worker()) 运行一个命名的JavaScript文件 

这个文件包含将在工作线程中运行的代码; workers 运行在另一个全局上下文中,不同于当前的window

因此，使用 window快捷方式获取当前全局的范围 (而不是self) 在一个 Worker 内将返回错误
复制代码

这样理解下：

创建Worker时，JS引擎向浏览器申请开一个子线程（子线程是浏览器开的，完全受主线程控制，而且不能操作DOM）
JS引擎线程与worker线程间通过特定的方式通信（postMessage API，需要通过序列化对象来与线程交互特定的数据）

所以，如果有非常耗时的工作，请单独开一个Worker线程，这样里面不管如何翻天覆地都不会影响JS引擎主线程，只待计算出结果后，将结果通信给主线程即可，perfect!

WebWorker与SharedWorker

既然都到了这里，就再提一下SharedWorker（避免后续将这两个概念搞混）

WebWorker只属于某个页面，不会和其他页面的Render进程（浏览器内核进程）共享
- 所以Chrome在Render进程中（每一个Tab页就是一个render进程）创建一个新的线程来运行Worker中的JavaScript程序。
SharedWorker是浏览器所有页面共享的，不能采用与Worker同样的方式实现，因为它不隶属于某个Render进程，可以为多个Render进程共享使用
- 所以Chrome浏览器为SharedWorker单独创建一个进程来运行JavaScript程序，在浏览器中每个相同的JavaScript只存在一个SharedWorker进程，不管它被创建多少次。

看到这里，应该就很容易明白了，本质上就是进程和线程的区别。SharedWorker由独立的进程管理，WebWorker只是属于render进程下的一个线程

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
复制代码

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：

解析html建立dom树
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）
布局render树（Layout/reflow），负责各元素尺寸、位置的计算
绘制render树（paint），绘制页面像素信息
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：（参考来源第一篇）

render.png

load事件与DOMContentLoaded事件的先后

上面提到，渲染完毕后会触发load事件，那么你能分清楚load事件与DOMContentLoaded事件的先后么？

很简单，知道它们的定义就可以了：

当 DOMContentLoaded 事件触发时，仅当DOM加载完成，不包括样式表，图片。 (譬如如果有async加载的脚本就不一定完成)
当 onload 事件触发时，页面上所有的DOM，样式表，脚本，图片都已经加载完成了。（渲染完毕了）

所以，顺序是：DOMContentLoaded -> load

css加载是否会阻塞dom树渲染？

这里说的是头部引入css的情况

首先，我们都知道：css是由单独的下载线程异步下载的。

然后再说下几个现象：

css加载不会阻塞DOM树解析（异步加载时DOM照常构建）
但会阻塞render树渲染（渲染时需等css加载完毕，因为render树需要css信息）

这可能也是浏览器的一种优化机制。

因为你加载css的时候，可能会修改下面DOM节点的样式，如果css加载不阻塞render树渲染的话，那么当css加载完之后， render树可能又得重新重绘或者回流了，这就造成了一些没有必要的损耗。所以干脆就先把DOM树的结构先解析完，把可以做的工作做完，然后等你css加载完之后，在根据最终的样式来渲染render树，这种做法性能方面确实会比较好一点。

普通图层和复合图层

渲染步骤中就提到了composite概念。

可以简单的这样理解，浏览器渲染的图层一般包含两大类：普通图层以及复合图层

首先，普通文档流内可以理解为一个复合图层（这里称为默认复合层，里面不管添加多少元素，其实都是在同一个复合图层中）

其次，absolute布局（fixed也一样），虽然可以脱离普通文档流，但它仍然属于默认复合层。

然后，可以通过硬件加速的方式，声明一个新的复合图层，它会单独分配资源（当然也会脱离普通文档流，这样一来，不管这个复合图层中怎么变化，也不会影响默认复合层里的回流重绘）

可以简单理解下：GPU中，各个复合图层是单独绘制的，所以互不影响，这也是为什么某些场景硬件加速效果一级棒

可以Chrome源码调试 -> More Tools -> Rendering -> Layer borders中看到，黄色的就是复合图层信息

从 Event Loop 看 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。

javascript从诞生之日起就是一门单线程的非阻塞的脚本语言。

单线程意味着，javascript代码在执行的任何时候，都只有一个主线程来处理所有的任务。

而非阻塞则是当代码需要进行一项异步任务（无法立刻返回结果，需要花一定时间才能返回的任务，如I/O事件）的时候，主线程会挂起（pending）这个任务，然后在异步任务返回结果的时候再根据一定规则去执行相应的回调。

单线程的必要性上文已经分析，为了防止DOM操作于渲染操作冲突，以保持程序执行的一致性。

单线程在保证了执行顺序的同时也限制了javascript的效率。 web worker技术号称让javascript成为一门多线程语言。然而，使用web worker技术开的多线程有着诸多限制，例如：所有新线程都受主线程的完全控制，不能独立执行。这意味着这些“线程” 实际上应属于主线程的子线程。另外，这些子线程并没有执行I/O操作的权限，只能为主线程分担一些诸如计算等任务。所以严格来讲这些线程并没有完整的功能，也因此这项技术并非改变了javascript语言的feizu单线程本质。

非阻塞的实现 —— event loop

注：虽然nodejs中的也存在与传统浏览器环境下的相似的事件循环。然而两者间却有着诸多不同，故把两者分开，单独解释。

同步代码的执行

当javascript代码执行的时候会将不同的变量存于内存中的不同位置：堆（heap）和栈（stack）中来加以区分。其中，堆里存放着一些对象。而栈中则存放着一些基础类型变量以及对象的指针。但是我们这里说的执行栈和上面这个栈的意义却有些不同。

我们知道，当我们调用一个方法的时候，js会生成一个与这个方法对应的执行环境（context），又叫执行上下文。这个执行环境中存在着这个方法的私有作用域，上层作用域的指向，方法的参数，这个作用域中定义的变量以及这个作用域的this对象。而当一系列方法被依次调用的时候，因为js是单线程的，同一时间只能执行一个方法，于是这些方法被排队在一个单独的地方。这个地方被称为执行栈。

当一个脚本第一次执行的时候，js引擎会解析这段代码，并将其中的同步代码按照执行顺序加入执行栈中，然后从头开始执行。如果当前执行的是一个方法，那么js会向执行栈中添加这个方法的执行环境，然后进入这个执行环境继续执行其中的代码。当这个执行环境中的代码执行完毕并返回结果后，js会退出这个执行环境并把这个执行环境销毁，回到上一个方法的执行环境。。这个过程反复进行，直到执行栈中的代码全部执行完毕。

executionstack.png

从图片可知，一个方法执行会向执行栈中加入这个方法的执行环境，在这个执行环境中还可以调用其他方法，甚至是自己，其结果不过是在执行栈中再添加一个执行环境。这个过程可以是无限进行下去的，除非发生了栈溢出，即超过了所能使用内存的最大值。

异步代码执行

js引擎遇到一个异步事件后并不会一直等待其返回结果，而是会将这个事件挂起，继续执行执行栈中的其他任务。当一个异步事件返回结果后，js会将这个事件加入与当前执行栈不同的另一个队列，我们称之为事件队列。被放入事件队列不会立刻执行其回调，而是等待当前执行栈中的所有任务都执行完毕，主线程处于闲置状态时，主线程会去查找事件队列是否有任务。如果有，那么主线程会从中取出排在第一位的事件，并把这个事件对应的回调放入执行栈中，然后执行其中的同步代码...，如此反复，这样就形成了一个无限的循环。这就是这个过程被称为“事件循环（Event Loop）”的原因。

eventloop2.jpg

图中的stack表示我们所说的执行栈，web apis则是代表一些异步事件，而callback queue即事件队列。

先理解一些概念：

JS 分为同步任务和异步任务
同步任务都在JS引擎线程上执行，形成一个执行栈
事件触发线程管理一个任务队列，只要异步任务有了运行结果，就在任务队列之中放置一个事件。
一旦 执行栈中所有同步任务执行完毕，此时JS引擎线程空闲，系统会读取任务队列，将可运行的异步任务回调事件添加到执行栈中，开始执行

eventloop.png

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》）

eventloop1.png

主线程运行时会产生执行栈，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）而栈中的代码执行完毕，就会读取事件队列中的事件，去执行那些回调，如此循环。

注意，总是要等待栈中的代码执行完毕后才会去读取事件队列中的事件

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。

关于定时器

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。

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：

累计效应（上面提到的），如果setInterval代码在（setInterval）再次添加到队列之前还没有完成执行，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）
而且把浏览器最小化显示等操作时，setInterval并不是不执行程序，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。。。

宏任务、微任务

当我们基本了解了什么是执行栈，什么是事件队列之后，我们深入了解一下事件循环中宏任务、微任务

推荐观看原文，作者描述的很清晰，示例也很不错，如下：

jakearchibald.com/2015/tasks-…

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');


// 执行结果
/*
script start
script end
promise1
promise2
setTimeout
*/

什么是宏任务

我们可以将每次执行栈执行的代码当做是一个宏任务（包括每次从事件队列中获取一个事件回调并放到执行栈中执行），每一个宏任务会从头到尾执行完毕，不会执行其他。

我们前文提到过JS引擎线程和GUI渲染线程是互斥的关系，浏览器为了能够使宏任务和DOM任务有序的进行，会在一个宏任务执行结果后，在下一个宏任务执行前，GUI渲染线程开始工作，对页面进行渲染。

主代码块，setTimeout，setInterval等，都属于宏任务

什么是微任务

我们已经知道宏任务结束后，会执行渲染，然后执行下一个宏任务，而微任务可以理解成在当前宏任务执行后立即执行的任务。

也就是说，当宏任务执行完，会在渲染前，将执行期间所产生的所有微任务都执行完。

Promise，process.nextTick等，属于微任务。

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。

再根据线程来理解下：

macrotask中的事件都是放在一个事件队列中的，而这个队列由事件触发线程维护
microtask中的所有微任务都是添加到微任务队列（Job Queues）中，等待当前macrotask执行完毕后执行，而这个队列由JS引擎线程维护 （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）

总结下运行机制：