转载:JS运行机制解析

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这里只是截取了原文的一部分,有兴趣的全面了解的,建议去看原文。

浏览器多进程,JS单线程,JS事件循环机制,三个概念

进程和线程的区别

一个形象的比喻:

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- 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

进一步再完善完善概念:

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- 工厂的资源 -> 系统分配的内存(独立的一块内存)

- 工厂之间的相互独立 -> 进程之间相互独立

- 多个工人协作完成任务 -> 多个线程在进程中协作完成任务

- 工厂内有一个或多个工人 -> 一个进程由一个或多个线程组成

- 工人之间共享空间 -> 同一进程下的各个线程之间共享程序的内存空间(包括代码段、数据集、堆等)

在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。

window的资源管理器

这里可以得出这样的结论:进程是cpu资源分配的最小单位(系统会给它分配内存)

再用较为官方的术语描述一遍:

  • 进程是cpu资源分配的最小单位(是能拥有资源和独立运行的最小单位)

  • 线程是cpu调度的最小单位(线程是建立在进程的基础上的一次程序运行单位,一个进程中可以有多个线程)

tips

  • 不同进程之间也可以通信,不过代价较大

  • 现在,一般通用的叫法:单线程与多线程,都是指在一个进程内的单和多。(所以核心还是得属于一个进程才行)

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)

  • 浏览器是多进程的

  • 浏览器之所以能够运行,是因为系统给它的进程分配了资源(cpu、内存)

  • 简单点理解,每打开一个Tab页,就相当于创建了一个独立的浏览器进程

再来看看系统的任务管理器和chrome管理器展示:

系统管理器和chrome管理器

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(不过,某些版本的ie却是单进程的)

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Renderer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(浏览器内核)(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)

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

简单点理解: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,内存等资源消耗也会更大,有点空间换时间的意思。

重点是浏览器内核(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,最终要的是什么呢?答案是渲染进程

页面的渲染,js的执行,事件的循环等都在这个进程内进行。

请牢记,浏览器的渲染进程是多线程的

看看它都包含了哪些线程(一些主要的常驻线程):

  • 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)或者由于某种操作引发的回流(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线程就会被挂起(相当于被冻结),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。
  • 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(render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。
  • 时事件触发线程
    • 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,需要浏览器另开一个线程协助)
    • 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)
  • 定时触发器线程
    • 传说中的setInterval与setTimeout所在的线程。
    • 浏览器定时器并不是有Javascript引擎技术的,(因为Javascript引起是单线程的,如果处于阻塞线程就会影响计时的准确)
    • 因此通过单线程计时并触发定时(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。
  • 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引起执行。
      浏览器内核

Browser进程和浏览器内核(Renderer进程)的通信过程

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:

  • 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

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。

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:

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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

  • 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!

而且注意下,JS引擎是单线程的,这一点的本质仍然未改变,Worker可以理解是浏览器给JS引擎开的外挂,专门用来解决那些大量计算问题。

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

简单梳理下浏览器渲染流程

补充下浏览器的渲染流程(简单版本)

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- 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:(参考来源第一篇)

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。

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VOscop 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)

  • JS引擎线程

  • 事件触发线程

  • 定时触发器线程

然后再理解一个概念:

  • JS分为同步任务和异步任务

  • 同步任务都在主线程上执行,形成一个执行栈

  • 主线程之外,事件触发线程管理着一个任务队列,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。

  • 一旦执行栈中的所有同步任务执行完毕(此时JS引擎空闲),系统就会读取任务队列,将可运行的异步任务添加到可执行栈中,开始执行。

执行流程

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:

上图大致描述就是:

  • 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

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setTimeoutsetInterval,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:

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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

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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:

  • 执行结果是:先beginhello!

  • 虽然代码的本意是0毫秒后就推入事件队列,但是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。 (不过也有一说是不同浏览器有不同的最小时间设定)

  • 就算不等待4ms,就算假设0毫秒就推入事件队列,也会先执行begin(因为只有可执行栈内空了后才会主动读取事件队列)

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)

  • 譬如像iOS的webview,或者Safari等浏览器中都有一个特点,在滚动的时候是不执行JS的, 如果使用了setInterval,会发现在滚动结束后会执行多次由于滚动不执行JS积攒回调, 如果回调执行时间过长,就会非常容器造成卡顿问题和一些不可知的错误 (这一块后续有补充,setInterval自带的优化,不会重复添加回调)

  • 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。。。

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:

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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:

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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:macrotaskmicrotask,在ECMAScript中,microtask称为jobs,macrotask可称为task

  • macrotask(又称之为宏任务),可以理解是每次执行栈执行的代码就是一个宏任务(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task会从头到尾将这个任务执行完毕,不会执行其它

    • 浏览器为了能够使得JS内部task与DOM任务能够有序的执行,会在一个task执行结束后,在下一个 task 执行开始前,对页面进行重新渲染 (task->渲染->task->...

  • microtask(又称为微任务),可以理解是在当前 task 执行结束后立即执行的任务

    • 也就是说,在当前task任务后,下一个task之前,在渲染之前

    • 所以它的响应速度相比setTimeout(setTimeout是task)会更快,因为无需等渲染

    • 也就是说,在某一个macrotask执行完后,就会将在它执行期间产生的所有microtask都执行完毕(在渲染前)

分别很么样的场景会形成macrotask和microtask呢?

  • macrotask:主代码块,setTimeout,setInterval等(可以看到,事件队列中的每一个事件都是一个macrotask)

  • microtask:Promise,process.nextTick等

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。

另外,setImmediate则是规定:在下一次Event Loop(宏任务)时触发(所以它是属于优先级较高的宏任务), (Node.js文档中称,setImmediate指定的回调函数,总是排在setTimeout前面), 所以setImmediate如果嵌套的话,是需要经过多个Loop才能完成的, 而不会像process.nextTick一样没完没了。

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

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)

所以,总结下运行机制:

  • 执行一个宏任务(栈中没有就从事件队列中获取)

  • 执行过程中如果遇到微任务,就将它添加到微任务的任务队列中

  • 宏任务执行完毕后,立即执行当前微任务队列中的所有微任务(依次执行)

  • 当前宏任务执行完毕,开始检查渲染,然后GUI线程接管渲染

  • 渲染完毕后,JS线程继续接管,开始下一个宏任务(从事件队列中获取)

另外,请注意下Promisepolyfill与官方版本的区别:

  • 官方版本中,是标准的microtask形式

  • polyfill,一般都是通过setTimeout模拟的,所以是macrotask形式

  • 请特别注意这两点区别

注意,有一些浏览器执行结果不一样(因为它们可能把microtask当成macrotask来执行了), 但是为了简单,这里不描述一些不标准的浏览器下的场景(但记住,有些浏览器可能并不标准)