保姆级JavaScript事件循环

Icanfly
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浏览器的进程模型

现代浏览器采用不同的进程模型来提高性能和安全性，主要有以下几种：

  1. 单进程模型:

    • 早期的浏览器，如 Internet Explorer 6，采用单进程模型。这意味着浏览器的所有功能（UI 渲染、网络请求、JavaScript 执行等）都在单个进程中运行。
    • 缺点：单进程容易导致性能瓶颈，任何崩溃或卡顿都可能使整个浏览器失效。

  2. 多进程模型:

    • 大多数现代浏览器（如 Google Chrome、Microsoft Edge、Mozilla Firefox）采用多进程模型，每个功能模块在单独的进程中运行。

    • 典型的多进程模型包括：

      • 浏览器进程: 主控制进程，负责管理窗口和标签页的生命周期，处理用户界面、网络请求等。
      • 渲染进程: 为每个标签页或 iframe 分配独立的渲染进程，负责解析 HTML、CSS、执行 JavaScript、排版和绘制。
      • GPU 进程: 负责 GPU 加速渲染处理，特别是 WebGL、Canvas 等。
      • 插件进程: 处理内部或第三方插件。
      • 网络进程: 管理网络请求和响应。

    • 优点：提高了安全性和稳定性，一个进程崩溃不会影响其他进程。

什么是进程？

进程是操作系统分配资源的基本单位。一个进程包含一个或多个线程。

在浏览器上下文中：

  • 独立内存空间: 每个进程拥有独立的内存空间，不同进程间的数据相互隔离。
  • 资源分配: 操作系统为每个进程分配资源（如内存、CPU 时间）。
  • 隔离性: 进程间的隔离提高了浏览器的安全性，因为一个进程的崩溃不会直接影响其他进程。
  • 上下文切换开销: 进程之间的上下文切换相对较大，这是它的一大缺点，但是为了安全和稳定性，这个开销是值得的。

image.png

什么是线程？

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」。

线程是进程中的实际执行单位，一个进程可以包含多个线程，它们共享进程的资源和内存空间。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。

在浏览器内：

  • 多线程并行处理: 多个线程可以并发执行，提高处理速度和用户体验，如渲染页面的同时还能响应用户输入。
  • 共享内存: 同一进程内的线程共享内存空间，可以方便地访问和修改相同的数据结构。
  • 轻量级: 相较于进程，线程的创建和销毁开销较小，上下文切换更快。

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程序

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

可以在浏览器的任务管理器中查看当前所有进程

浏览器点击右上角...，点击更多工具，选择任务管理器（Chrome为例）

image.png

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，主线程负责执行 HTML、CSS、JS代码等。
    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。
    ......

image.png

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：

  1. 解析 HTML 和构建 DOM 树：
    • 浏览器从网络线程获取 HTML 文档，渲染引擎开始解析 HTML 内容。
    • 每遇到一个 HTML 标签，创建一个对应的 DOM 节点，添加到 DOM 树中。
  2. 解析 CSS 和生成 CSSOM 树：
    • 渲染引擎同时解析 CSS 文件和内联 CSS。
    • 生成 CSSOM 树，CSSOM 代表文档的样式层次结构，它和 DOM 树一起用于渲染页面。
  3. 构建渲染树：
    • DOM 树和 CSSOM 树合并生成渲染树（Render Tree）。
    • 渲染树仅包含可见的 DOM 元素（忽略 display: none 等内容）。
  4. 布局（reflow）：
    • 渲染引擎遍历渲染树，并计算每个节点的几何位置和大小，这个过程被称为布局或 reflow。
    • 布局计算需要考虑元素的布局模型、尺寸、位置等。
  5. 绘制（paint）：
    • 布局完成后，开始绘制（paint）操作，将渲染树的每个节点绘制到屏幕上。
    • 绘制操作包括填充颜色、文本绘制、边框绘制、阴影等。
  6. 合成和光栅化：
    • 独立的层（Layers）会被发送到 GPU 进行光栅化（Rasterization），生成位图（bitmap）。
    • 合成线程（Compositor Thread）负责将这些位图对象合成到屏幕上，实现平滑的滚动和动画效果。
  7. 执行全局 JavaScript 代码：
    • 渲染主线程会执行页面加载时嵌入或引用的所有全局 JavaScript 代码。
    • 这些代码会在解析 HTML 和 CSS 的过程中被执行，可能会被插入到 DOM 树中。
  8. 执行事件处理函数：
    • 当用户与页面进行交互（如点击、滚动、键盘输入等）时，相关的事件会被调度到渲染主线程来执行注册的事件处理函数。
    • 事件处理可能会修改 DOM 树或触发重绘和重新布局。
  9. 执行计时器的回调函数：
    • 浏览器中的计时器（如 setTimeout 和 setInterval）回调函数也必须在渲染主线程中执行。
    • 这些回调函数可能包含额外的逻辑、DOM 操作或其他需要占用主线程资源的任务。
  10. 动画和绘制：
    • 为了实现流畅的动画效果（通常目标是每秒 60 帧，即每帧约 16.66 毫秒），渲染主线程需要频繁地执行绘制操作。
    • 这包括处理 CSS 动画、JavaScript 动画和 requestAnimationFrame 回调中的绘制逻辑。

......

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

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。

这样依赖，就可以让每个任务有条不紊、持续的进行下去了。
整个过程，被称之为事件循环（消息循环）

若干解释

何为异步？

代码执行过程中，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

如果让渲染主线程等待这些任务的时机到达，就会导致主线程长期处于「阻塞」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？
JS是一⻔单线程的语言，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。 但渲染主线程又承担着诸多的工作，渲染⻚面、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，另一方面导致⻚面无法及时更新，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为何会阻塞渲染？

先看代码

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
  <meta charset="UTF-8">
  <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
  <title>Document</title>
</head>
<body>
  <h1>hello world 今天也是开心的一天</h1>
  <button>change</button>
  <script>
    const h1 = document.querySelector('h1');
    const btn = document.querySelector('button');

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

    btn.onclick = () => {
      h1.textContent = '早日暴富！'
      delay(3000);
    }
  </script>
</body>
</html>

点击按钮后，会发现等待3秒后页面才变成早日暴富！

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: 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

总结：阐述一下 JS 的事件循环

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。

思考：JS中的计时器能做到精确及时吗？为什么？

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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