浏览器渲染原理及事件循环

浪漫前端人
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浏览器渲染原理及事件循环

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

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每个应用至少有一个进程，进程之间相互独立，即使要通信，也需要双方同意。

何为线程？

有了进程后，就可以运行程序的代码了。

运行代码的「人」称之为「线程」。

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。

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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。

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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（本节课重点讲解的进程）

    渲染进程启动后，会开启一个渲染主线程，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相互影响。

    将来该默认模式可能会有所改变，有兴趣的同学可参见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
  • ......

思考题：为什么渲染进程不适用多个线程来处理这些事情？

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

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  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）

JS的运⾏机制

众所周知JavaScript是⼀⻔单线程的语⾔，所以在JavaScript的世界中默认的情况下同⼀个时间节点只能做⼀件事情，这样的设定就造成了JavaScript这⻔语⾔的⼀些局限性，⽐如在我们的⻚⾯中加载⼀些远程数据时，如果按照单线程同步的⽅式运⾏，⼀旦有HTTP请求向服务器发送，就会出现等待数据返回之前⽹⻚假死的效果出现。因为JavaScript在同⼀个时间只能做⼀件事，这就导致了⻚⾯渲染和事件的执⾏，在这个过程中⽆法进⾏。显然在实际的开发中我们并没有遇⻅过这种情况。

关于同步和异步

基于以上的描述，我们知道在JavaScript的世界中，应该存在⼀种解决⽅案，来处理单线程造成的诟病。这就是同步【阻塞】和异步【⾮阻塞】执⾏模式的出现。

何为同步？

同步的意思是JavaScript会严格按照单线程（从上到下、从左到右的⽅式）执⾏代码逻辑，进⾏代码的解释和运⾏，所以在运⾏代码时，不会出现先运⾏4、5⾏的代码，再回头运⾏1、3⾏的代码这种情况。⽐如下列操作:

var a = 1
var b = 2
var c = a + b
//这个例⼦总c⼀定是3不会出现先执⾏第三⾏然后在执⾏第⼆⾏和第⼀⾏的情况
console.log(c)

接下来通过下列的案例升级⼀下代码的运⾏场景：

var a = 1
var b = 2
var d1 = new Date().getTime()
var d2 = new Date().getTime()
while(d2-d1<2000){
    d2 = new Date().getTime()
}

当我们按照顺序执⾏上⾯代码时，我们的代码在解释执⾏到第4⾏时，还是正常的速度执⾏，但是在下⼀⾏就会进⼊⼀个持续的循环中。d2和d1在⾏级间的时间差仅仅是毫秒内的差别，所以在执⾏到while循环的时候d2-d1的值⼀定⽐2000⼩，那么这个循环会执⾏到什么时候呢？

由于每次循环时，d2都会获取⼀次当前的时间发⽣变化，直到d2-d1==2000等情况，这时也就是正好过了2秒的时间，我们的程序才能跳出循环，进⽽再输出a+b的结果。

那么这段程序的实际执⾏时间⾄少是2秒以上。这就导致了程序阻塞的出现，这也是为什么将同步的代码运⾏机制叫做阻塞式运⾏的原因。

阻塞式运⾏的代码，在遇到消耗时间的代码⽚段时，之后的代码都必须等待耗时的代码运⾏完毕，才能得到执⾏资源，这就是单线程同步的特点

何为异步？

在上⾯的阐述中，我们明⽩了单线程同步模型中的问题所在，接下来引⼊单线程异步模型的介绍。

异步的意思就是和同步对⽴，所以异步模式的代码是不会按照默认顺序执⾏的。JavaScript执⾏引擎在⼯作时，仍然是按照从上到下从左到右的⽅式解释和运⾏代码。

在解释时，如果遇到异步模式的代码，引擎会将当前的任务“挂起”并略过。也就是先不执⾏这段代码，继续向下运⾏⾮异步模式的代码，那么什么时候来执⾏同步代码呢？

直到同步代码全部执⾏完毕后，程序会将之前“挂起”的异步代码按照“特定的顺序”来进⾏执⾏，所以异步代码并不会【阻塞】同步代码的运⾏，并且异步代码并不是代表进⼊新的线程同时执⾏，⽽是等待同步代码执⾏完毕再进⾏⼯作。

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 —— setTimeout、setInterval
  • 网络通信完成后需要执行的任务 -- XHR、Fetch
  • 用户操作后需要执行的任务 -- addEventListener

我们阅读下⾯的代码分析：

var a = 1
var b = 2
setTimeout(function(){
    console.log('输出了⼀些内容')
},2000)
//这段代码会直接输出3并且等待2秒左右的时间在输出function内部的内容
console.log(a+b)

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」

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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

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使用异步的方式，渲染主线程永不阻塞

JS的线程组成

上⾯我们通过⼏个简单的例⼦⼤概了解了⼀下JS的运⾏顺序，那么为什么是这个顺序，这个顺序的执⾏原理是什么样的，我们应该如何更好更深的探究真相呢？这⾥需要介绍⼀下浏览器中⼀个Tab⻚⾯的实际线程组成。

在了解线程组成前要了解⼀点，虽然浏览器是单线程执⾏JavaScript代码的，但是浏览器实际是以多个线程协助操

作来实现单线程异步模型的，具体线程组成如下：

  • GUI渲染线程
  • JavaScript引擎线程
  • 事件触发线程
  • 定时器触发线程
  • http请求线程
  • 其他线程

按照真实的浏览器线程组成分析，我们会发现实际上运⾏JavaScript的线程其实并不是⼀个，但是为什么说JavaScript是⼀⻔单线程的语⾔呢？

因为这些线程中实际参与代码执⾏的线程并不是所有线程，⽐如GUI渲染线程为 什么单独存在，这个是防⽌我们在html⽹⻚渲染⼀半的时候突然执⾏了⼀段阻塞式的JS代码⽽导致⽹⻚卡在⼀半停住这种效果。

在JavaScript代码运⾏的过程中实际执⾏程序时同时只存在⼀个活动线程，这⾥实现同步异步就是靠多线程切换的形式来进⾏实现的。

所以我们通常分析时，将上⾯的细分线程归纳为下列两条线程：

  1. 【主线程】：这个线程⽤了执⾏⻚⾯的渲染，JavaScript代码的运⾏，事件的触发等等

  2. 【⼯作线程】：这个线程是在幕后⼯作的，⽤来处理异步任务的执⾏来实现⾮阻塞的运⾏模式

面试题：如何理解 JS 的异步？

参考答案：

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。

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。

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。

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。

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

<h1>Mr.Yuan 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 = '袁老师很帅！';
    delay(3000);
  };
</script>

点击按钮后，会发生什么呢？

<见具体演示>

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 html.spec.whatwg.org/multipage/w…

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 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：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 Promise、MutationObserver

例如：

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

浏览器还有很多其他的队列，由于和我们开发关系不大，不作考虑

面试题：阐述一下 JS 的事件循环

参考答案：

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。

面试题：JS 中的计时器能做到精确计时吗？为什么？

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
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