浏览器进程模型及事件循环机制

简介: 这篇文章介绍了浏览器进程模型及事件循环机制,包括进程和线程的基本概念,浏览器如何作为多进程多线程应用程序运行,以及渲染主线程如何通过消息队列来调度和执行各种任务,保证浏览器的稳定运行和任务的有序进行。

浏览器的进程模型

何为进程

程序运行需要有它自己专属的内存空间,可以把这块内存空间简单的理解为进程

image.png

何为线程

有了进程后,就可以运行程序的代码了。一个进程至少有一个线程,所以在进程开启后会自动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,所以一个进程中可以包含多个线程。

image.png

浏览器有哪些进程和线程?

浏览器是一个多进程多线程的应用程序

浏览器内部工作极其复杂,为了避免相互影响,为了减少连环崩溃的几率,当启动浏览器后,它会自动启动多个进程。

image.png

可以在浏览器的任务管理器中查看当前的所有进程:

image.png

其中,最主要的进程有:

  1. 浏览器进程:主要负责界面展示、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,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相互影响。

将来该默认模式可能会有所改变,可参考chrome官方说明文档

渲染主线程是如何工作的?

渲染主线程是浏览器中最繁忙的线程,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

  • ......

要处理这么多的任务,主线程遇到了一个前所未有的难题:如何调度任务

比如:

  • 我正在执行一个 JS 函数,执行到一半的时候用户点击了按钮,我该立即去执行点击事件的处理函数吗?

  • 我正在执行一个 JS 函数,执行到一半的时候某个计时器到达了时间,我该立即去执行它的回调吗?

  • 浏览器进程通知我“用户点击了按钮”,与此同时,某个计时器也到达了时间,我应该处理哪一个呢?

  • ......

渲染主线程想出了一个绝妙的主意来处理这个问题:排队

image.png

  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,执行完一个后进入下一次循环;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,就可以让每个任务有条不紊的、持续的进行下去了。

整个过程,被称之为事件循环(消息循环)

何为异步?

代码在执行过程中,会遇到一些无法立即处理的任务,比如:

  • 计时完成后需要执行的任务:setTimeoutsetInterval

  • 网络通信完成后需要执行的任务:XHRFetch

  • 用户操作后需要执行的任务:addEventListener

如果让渲染主线程等待这些任务的时机达到,就会导致主线程长期处于「阻塞」的状态,从而导致浏览器「卡死

image.png

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 来解决这个问题

image.png

使用异步的方式,渲染主线程永不阻塞

如何理解 JS 的异步?

参考答案:

  1. 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。

  2. 而渲染主线程承担着诸多的工作,渲染页面、执行 JS 都在其中运行。

  3. 如果使用同步的方式,就极有可能导致主线程产生阻塞,从而导致消息队列中的很多其他任务无法得到执行。这样一来,一方面会导致繁忙的主线程白白的消耗时间,另一方面导致页面无法及时更新,给用户造成卡死现象。

  4. 所以浏览器采用异步的方式来避免。具体做法是当某些任务发生时,比如计时器、网络、事件监听,主线程将任务交给其他线程去处理,自身立即结束任务的执行,转而执行后续代码。当其他线程完成时,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排队,等待主线程调度执行。

  5. 在这种异步模式下,浏览器永不阻塞,从而最大限度的保证了单线程的流畅运行。

JS为何会阻碍渲染?

先看代码:

<body>
  <h1>Mr.Zhang is awesome!</h1>
  <button>change</button>
  <script>
    var h1 = document.querySelector('h1');
    var btn = document.querySelector('button');

    // 死循环指定的时间
    function delay(duration) {
      var start = Date.now();
      while (Date.now() - start < duration) { }
    }

    btn.onclick = function () {
      h1.textContent = '三秒后我才会变化!';
      delay(3000);
    };
  </script>
</body>

执行结果:

image.png

为何点击不会立马发生改变?

触发点击事件,虽然修改文字的代码是立即执行,但是需要重新渲染绘制页面,继而将其包装成绘制任务放至任务队列中去等待执行,而 delay 函数中是指定了三秒钟的死循环时间,浏览器主线程在这三秒钟内不会去执行别的任务,会等待三秒钟完成此任务后再从队列中调度绘制任务去执行。

任务有优先级吗?

任务没有优先级,在消息队列中先进先出,但消息队列是有优先级的

根据 W3C 的最新解释:

  • 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于不同的队列。 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所有其他任务执行

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 Chrome浏览器 的实现中,至少包含了下面的队列:

  1. 延时队列:用于存放计时器到达后的回调任务,优先级「

  2. 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「

  3. 微队列:用户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主要是使用 PromiseMutationObserver

例如:

// 立即把一个函数添加到微队列
Promise.resolve().then(函数)

测试延时队列与交互队列的执行顺序

先看代码:

<body>
  <button id="begin">开始</button>
  <button id="interaction">添加交互任务</button>
  <script>
    // 死循环指定的时间
    function delay(duration) {
      var start = Date.now();
      while (Date.now() - start < duration) { }
    }

    function addDelay() {
      console.log('添加延时队列');
      setTimeout(() => {
        console.log('延时队列执行');
      }, 0);
      delay(2000);
    }

    function addInteraction() {
      console.log('添加交互队列');
      interaction.onclick = function () {
        console.log('交互队列执行');
      };
      delay(2000);
    }

    begin.onclick = function () {
      addDelay();
      addInteraction();
      console.log('===========');
    };
  </script>
</body>

addInteraction 函数在主线程执行的死循环两秒的期间,如果我去点击 添加交互任务按钮,那么输出的结果则是这样:

image.png

这说明什么?说明对于Chrome而言,用户对界面的交互感知更为重要,交互队列的优先级是要大于延时队列优先级的。

而以往仅有的 微任务&宏任务 概念也就无法解释上段代码对某个时机下的执行结果

JS 中的计时器能做到精确计时吗?

参考答案:不行,因为:

  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,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

阐述一下 JS 的事件循环

参考答案:

  1. 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。

  2. 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。

  3. 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。

  4. 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。

总结

  1. 单线程是异步产生的原因

  2. 事件循环是异步的实现方式

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