浏览器简单理解

作者: Haiya_32ef | 来源:发表于2018-12-26 14:36 被阅读0次

浏览器相关理解

1 概念理解

1.1 进程和线程

1 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）
2 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）

进程

> 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

> 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

- 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）

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）

2 浏览器的进程和线程

2.1 概念理解

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）
每打开一个Tab页，就相当于创建了一个独立的浏览器进程。

2.1 浏览器的进程

浏览器的进程

Browser进程：浏览器的主进程（负责协调、主控），只有一个

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
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
GPU进程：最多一个，用于3D绘制等
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

页面渲染，脚本执行，事件处理等

多进程的优点

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

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

3 浏览器的渲染进程

对于前端来说，最重要的是就是浏览器的渲染进程。页面的渲染，JS的执行，事件的循环，都在这个进程内进行。
浏览器的渲染进程是多线程的

3.1 渲染进程中的线程

渲染进程中有多个线程，主要是

1 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）或由于某种操作引发回流(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线程会被挂起（相当于被冻结了），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。
2 JS引擎线程
- 也称为JS内核，负责处理Javascript脚本程序。
- 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（renderer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。
3 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
- 当对应的事件符合触发条件被触发时，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）
4 定时触发器线程
- setInterval与setTimeout所在线程
- 浏览器定时计数器并不是由JavaScript引擎计数的,（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）
- 因此通过单独线程来计时并触发定时（计时完毕后，添加到事件队列中，等待JS引擎空闲后执行）
- 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。
5 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引擎执行。

3.2 Browser进程和浏览器内核（Renderer进程）的通信过程

如果自己打开任务管理器，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：(简化了很多)

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

3.3 浏览器内核中线程之间的关系

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。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
为了因为JS执行时间过长会阻塞页面,后来HTML5中支持了Web Worker.

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）
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。

WebWorker与SharedWorker
- 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。

4 浏览器渲染流程

为了简化理解，前期工作直接省略成：

- 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：

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。

4.1 load事件与DOMContentLoaded事件的先后

DOMContentLoaded 事件

当 DOMContentLoaded 事件触发时，仅当DOM加载完成，不包括样式表，图片。
onload 事件

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。

所以，顺序是：DOMContentLoaded -> load

4.2 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。

4.3 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

如何变成复合图层（硬件加速）
将该元素变成一个复合图层，就是传说中的硬件加速技术.

最常用的方式：translate3d、translateZ
opacity属性/过渡动画（需要动画执行的过程中才会创建合成层，动画没有开始或结束后元素还会回到之前的状态）
will-chang属性（这个比较偏僻），一般配合opacity与translate使用（而且经测试，除了上述可以引发硬件加速的属性外，其它属性并不会变成复合层），作用是提前告诉浏览器要变化，这样浏览器会开始做一些优化工作（这个最好用完后就释放）
<video><iframe><canvas><webgl>等元素
其它，譬如以前的flash插件

absolute和硬件加速的区别

absolute虽然可以脱离普通文档流，但是无法脱离默认复合层。所以，就算absolute中信息改变时不会改变普通文档流中render树，但是，浏览器最终绘制时，是整个复合层绘制的，所以absolute中信息的改变，仍然会影响整个复合层的绘制。（浏览器会重绘它，如果复合层中内容多，absolute带来的绘制信息变化过大，资源消耗是非常严重的）
而硬件加速直接就是在另一个复合层了（另起炉灶），所以它的信息改变不会影响默认复合层
（当然了，内部肯定会影响属于自己的复合层），仅仅是引发最后的合成（输出视图）

复合图层的作用
一般一个元素开启硬件加速后会变成复合图层，可以独立于普通文档流中，改动后可以避免整个页面重绘，提升性能。但是尽量不要大量使用复合图层，否则由于资源消耗过度，页面反而会变的更卡
硬件加速的注意点
使用硬件加速时，尽可能的使用index，防止浏览器默认给后续的元素创建复合层渲染。
具体的原理时这样的：

webkit CSS3中，如果这个元素添加了硬件加速，并且index层级比较低，那么在这个元素的后面其它元素（层级比这个元素高的，或者相同的，并且releative或absolute属性相同的），会默认变为复合层渲染，如果处理不当会极大的影响性能

简单点理解，其实可以认为是一个隐式合成的概念：如果a是一个复合图层，而且b在a上面，那么b也会被隐式转为一个复合图层，这点需要特别注意

5 从Event Loop谈JS的运行机制

首先要理解上文的一些概念：

JS引擎线程
事件触发线程
定时触发器线程
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。
[图片上传失败...(image-56d141-1545806196451)]

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，自然有误差。

[图片上传失败...(image-cc18a5-1545806196451)]
上图描述的过程是：

1 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）
2 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

5.1 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。

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。
  - 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
- 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）

5.2 macrotask与microtask

JS中分为两种任务类型：macrotask和microtask，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->渲染页面->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）
执行顺序是：task->jobs->渲染->task->jobs->渲染....

什么样的场景会形成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,MutationObserver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。

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

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）

[图片上传失败...(image-97ebb8-1545806196452)]

注意下Promise的polyfill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

使用MutationObserver实现microtask

MutationObserver可以用来实现microtask,（它属于microtask，优先级小于Promise，
一般是Promise不支持时才会这样做）
它是HTML5中的新特性，作用是：监听一个DOM变动，当DOM对象树发生任何变动时，Mutation Observer会得到通知

以前的Vue源码中就是利用它来模拟nextTick的，具体原理是，创建一个TextNode并监听内容变化，然后要nextTick的时候去改一下这个节点的文本内容.(不过2.5版本在$nextTick方法中移除了这个实现)

var counter = 1
var observer = new MutationObserver(nextTickHandler)
var textNode = document.createTextNode(String(counter))

observer.observe(textNode, {
    characterData: true
})
timerFunc = () => {
    counter = (counter + 1) % 2
    textNode.data = String(counter)
}