Chromium内核原理之blink内核工作解密

《Chromium内核原理之blink内核工作解密》
《Chromium内核原理之多进程架构》
《Chromium内核原理之进程间通信(IPC)》
《Chromium内核原理之网络栈》
《Chromium内核原理之网络栈HTTP Cache》
《Chromium内核原理之Preconnect》
《Chromium内核原理之Prerender》
《Chromium内核原理之cronet独立化》

概要
1.Blink做了什么
2.进程/线程架构

2.1 进程
2.2 线程
2.3 Blink初始化

3.目录结构

3.1 内容公共API和Blink公共API
3.2 目录结构和依赖项
3.3 WTF

4.内存管理
5.任务调度
6.Page, Frame, Document, DOMWindow等

6.1 概念
6.2 Out-of-Process iframes (OOPIF)
6.3 分离的 Frame/ Document

7.Web IDL绑定
8.V8和Blink

8.1 Isolate, Context, World
8.2 V8 API
8.3 V8 wrappers

9.渲染管道

概要：

在Blink上工作并不容易。对于新的Blink开发人员来说并不容易，因为为了实现非常快速的渲染引擎，已经引入了许多特定于Blink的概念和编码约定。即使是经验丰富的Blink开发人员也不容易，因为Blink非常庞大，对性能，内存和安全性极为敏感。

1.Blink做了什么

Blink是Web平台的渲染引擎。粗略地说，Blink实现了在浏览器选项卡中呈现内容的所有内容：

• 实现Web平台的规范（例如，HTML标准），包括DOM，CSS和Web IDL
• 嵌入V8并运行JavaScript
• 从底层网络堆栈请求资源
• 构建DOM树
• 计算样式和布局
• 嵌入Chrome Compositor并绘制图形

Blink通过内容公共API嵌入许多客户，如Chromium，Android WebView和Opera。

blink_content_arch.jpg

从代码库的角度来看，“Blink”通常表示// third_party / blink /。从项目角度来看，“Blink”通常表示实现Web平台功能的项目。实现Web平台功能的代码跨度为// third_party / blink /，// content / renderer /，// content / browser /和其他位置。

2.进程/线程架构

2.1 进程

Chromium具有多进程架构。 Chromium有一个浏览器进程和N个沙盒渲染器进程。 Blink在渲染器进程中运行。

创建了多少个渲染器进程？出于安全原因，在跨站点文档之间隔离内存地址区域很重要（这称为站点隔离）。从概念上讲，每个渲染器进程应该专用于最多一个站点。然而，实际上，当用户打开太多选项卡或设备没有足够的RAM时，将每个渲染器进程限制为单个站点有时太重了。然后，渲染器进程可以由从不同站点加载的多个iframe或选项卡共享。这意味着一个选项卡中的iframe可能由不同的渲染器进程托管，并且不同选项卡中的iframe可能由同一渲染器进程托管。渲染器进程，iframe和制表符之间没有1：1映射。

假定渲染器进程在沙箱中运行，则Blink需要请求浏览器进程分派系统调用（例如，文件访问，播放音频）和访问用户简档数据（例如，cookie，密码）。这个浏览器渲染器进程通信由Mojo实现。 （注意：过去我们使用的是Chromium IPC，但仍有一些地方正在使用它。但是，它已被弃用，并在引擎盖下使用Mojo。）在Chromium方面，Servicification正在进行并将浏览器进程抽象为一组“服务。从Blink的角度来看，Blink可以使用Mojo与服务和浏览器进程进行交互。

blink_process.jpg

2.2 线程

在渲染器进程中创建了多少个线程？

Blink有一个主线程，N个工作线程和几个内部线程。

几乎所有重要的事情都发生在主线程上。所有JavaScript（工作者除外），DOM，CSS，样式和布局计算都在主线程上运行。假设大多数是单线程架构，Blink经过高度优化以最大化主线程的性能。

Blink可能会创建多个工作线程来运行Web Workers，ServiceWorker和Worklet。

Blink和V8可能会创建几个内部线程来处理webaudio，数据库，GC等。

对于跨线程通信，您必须使用PostTask API使用消息传递。不鼓励共享内存编程，除非出于性能原因需要使用它的几个地方。这就是为什么你在Blink代码库中看不到很多MutexLock的原因。

thread_arc.jpg

2.3 Blink初始化

Blink由BlinkInitializer :: Initialize（）初始化。必须在执行任何Blink代码之前调用此方法。

另一方面，Blink永远不会完成；即渲染器过程被强制退出而不被清理。一个原因是表现。另一个原因是，通常很难以优雅的顺序清理渲染器过程中的所有内容（并且不值得付出努力）。

3.目录结构

3.1 内容公共API和Blink公共API

内容公共API是API层，它使嵌入器能够嵌入呈现引擎。必须仔细维护内容公共API，因为它们暴露给嵌入器。

Blink公共API是API层，它公开了从// third_party / blink /到Chromium的功能。此API层只是从WebKit继承的历史工件。在WebKit时代，Chromium和Safari共享了WebKit的实现，因此需要API层来将功能从WebKit公开到Chromium和Safari。现在Chromium是// third_party / blink /的唯一嵌入器，API层没有意义。我们通过将网络平台代码从Chromium移动到Blink（该项目称为Onion Soup）来积极减少Blink公共API的数量。

public_api.jpg

3.2 目录结构和依赖项

/ third_party / blink /具有以下目录。有关这些目录的更详细定义，请参阅此文档：https://chromium.googlesource.com/chromium/src/+/master/third_party/blink/renderer/README.md

• platform/
  Blink的低级功能集合，由单片内核/。例如，几何和图形工具。
• core/ 和 modules/
  实现了规范中定义的所有Web平台功能。核心/实现与DOM紧密结合的功能。模块/实现更多自包含功能。例如webaudio，indexeddb。
• bindings/core/ 和 bindings/modules/
  概念上绑定/ core /是core /的一部分，而bindings / modules /是modules /的一部分。大量使用V8 API的文件放在绑定/ {core，modules}中。
• controller/
  一组使用核心/和模块/的高级库。例如，devtools前端。

依赖关系按以下顺序：
Chromium => controller/ => modules/ and bindings/modules/ => core/ and bindings/core/ => platform/ => low-level primitives such as //base, //v8 and //cc

Blink仔细维护暴露于// third_party / blink /的低级原语列表。

3.3 WTF

WTF是一个“Blink特定的基础”库，位于platform / wtf /。我们试图尽可能地在Chromium和Blink之间统一编码原语，因此WTF应该很小。这个库是必需的，因为有许多类型，容器和宏真正需要针对Blink的工作负载和Oilpan（Blink GC）进行优化。如果在WTF中定义了类型，则Blink必须使用WTF类型而不是// base或std库中定义的类型。最流行的是矢量，哈希集，哈希映射和字符串。 Blink应该使用WTF :: Vector，WTF :: HashSet，WTF :: HashMap，WTF :: String和WTF :: AtomicString而不是std :: vector，std :: * set，std :: * map和std :: string 。

4.内存管理

就Blink而言，您需要关心三个内存分配器：

• PartitionAlloc
• Oilpan
• malloc/free 或者 new/delete

您可以使用USING_FAST_MALLOC（）在PartitionAlloc的堆上分配对象：

class SomeObject {
  USING_FAST_MALLOC(SomeObject);
  static std::unique_ptr<SomeObject> Create() {
    return std::make_unique<SomeObject>();  // Allocated on PartitionAlloc's heap.
  }
};

PartitionAlloc分配的对象的生命周期应由scoped_refptr <>或std :: unique_ptr <>管理。强烈建议不要手动管理生命周期。 Blink禁止手动删除。

您可以使用GarbageCollected在Oilpan的堆上分配一个对象：

class SomeObject : public GarbageCollected<SomeObject> {
  static SomeObject* Create() {
    return new SomeObject;  // Allocated on Oilpan's heap.
  }
};

Oilpan分配的对象的生命周期由垃圾收集自动管理。你必须使用特殊的指针（例如，Member <>，Persistent <>）来保存Oilpan堆上的对象。请参阅此API参考以熟悉有关Oilpan的编程限制。最重要的限制是不允许在Oilpan的对象的析构函数中触摸任何其他Oilpan的对象（因为无法保证销毁顺序）。

如果既不使用USING_FAST_MALLOC（）也不使用GarbageCollected，则在系统malloc的堆上分配对象。在Blink中强烈建议不要这样做。所有Blink对象应由PartitionAlloc或Oilpan分配，如下所示：

• 默认使用 Oilpan
• 仅当1）对象的生命周期非常清楚且std :: unique_ptr <>或scoped_refptr <>足够时才使用PartitionAlloc，2）在Oilpan上分配对象引入了很多复杂性或者3）在Oilpan上分配对象引入了垃圾收集运行时有很多不必要的压力。

无论您使用的是PartitionAlloc还是Oilpan，您都必须非常小心，不要创建悬空指针（注意：强烈建议不要使用原始指针）或内存泄漏。

5.任务调度

为了提高渲染引擎的响应能力，Blink中的任务应尽可能异步执行。不鼓励同步IPC / Mojo和可能需要几毫秒的任何其他操作。

渲染器进程中的所有任务都应该使用适当的任务类型发布到Blink Scheduler，如下所示：

// Post a task to frame's scheduler with a task type of kNetworking
frame->GetTaskRunner(TaskType::kNetworking)->PostTask(..., WTF::Bind(&Function));

Blink Scheduler维护多个任务队列，并巧妙地确定任务的优先级，以最大限度地提高用户感知的性能。指定正确的任务类型以使Blink Scheduler正确而巧妙地安排任务非常重要。

6.Page, Frame, Document, DOMWindow等

6.1 概念

Page，Frame，Document，ExecutionContext和DOMWindow是以下概念：

• Page：页面对应于选项卡的概念（如果未启用下面解释的OOPIF）。每个渲染器进程可能包含多个选项卡。
• Frame：帧对应于帧的概念（主帧或iframe）。每个页面可能包含一个或多个以树形层次结构排列的框架。
• DOMWindow对应于JavaScript中的窗口对象。每个Frame都有一个DOMWindow。
• Document对应于JavaScript中的window.document对象。每个框架都有一个文档。
• ExecutionContext是一个抽象Document（用于主线程）和WorkerGlobalScope（用于工作线程）的概念。

渲染器过程：Page = 1：N。
Page : Frame = 1 : M.

Frame : DOMWindow : Document (or ExecutionContext) = 1：1：1在任何时间点，但映射可能会随时间而变化。例如，请考虑以下代码：

iframe.contentWindow.location.href = "https://example.com";

在这种情况下，将为https://example.com创建新的DOMWindow和新文档。但是，帧可以重复使用。

6.2 Out-of-Process iframes (OOPIF)

站点隔离使事情更安全，但更复杂。 :)站点隔离的想法是为每个站点创建一个渲染器进程。 （网站是网页的可注册域名+ 1标签及其网址方案。例如，https：//mail.example.com和https://chat.example.com位于同一网站，但https：// noodles.com和https://pumpkins.com不是。）如果一个页面包含一个跨站点iframe，那么该页面可能由两个渲染器进程托管。请考虑以下页面：

<!-- https://example.com -->
<body>
<iframe src="https://example2.com"></iframe>
</body>

主框架和<iframe>可以由不同的渲染器进程托管。渲染器进程的本地帧由LocalFrame表示，而渲染器进程不是本地的帧由RemoteFrame表示。

从主框架的角度来看，主框架是LocalFrame，<iframe>是RemoteFrame。从<iframe>的角度来看，主框架是RemoteFrame，<iframe>是LocalFrame。

LocalFrame和RemoteFrame（可能存在于不同的渲染器进程中）之间的通信通过浏览器进程处理。

6.3 分离的 Frame/ Document

Frame/ Document可能处于分离状态。考虑以下情况：

doc = iframe.contentDocument;
iframe.remove();  // The iframe is detached from the DOM tree.
doc.createElement("div");  // But you still can run scripts on the detached frame.

棘手的事实是您仍然可以在分离的帧上运行脚本或DOM操作。由于帧已经分离，大多数DOM操作都会失败并抛出错误。不幸的是，分离帧上的行为在浏览器之间并不真正可互操作，也没有在规范中明确定义。基本上期望JavaScript应该继续运行，但是大多数DOM操作都应该失败并带有一些适当的例外，例如：

void someDOMOperation(...) {
  if (!script_state_->ContextIsValid()) { // The frame is already detached
    …;  // Set an exception etc
    return;
  }
}

这意味着在常见情况下，当框架分离时，Blink需要进行一系列清理操作。您可以通过继承ContextLifecycleObserver来执行此操作，如下所示：

class SomeObject : public GarbageCollected<SomeObject>, public ContextLifecycleObserver {
  void ContextDestroyed() override {
    // Do clean-up operations here.
  }
  ~SomeObject() {
    // It's not a good idea to do clean-up operations here because it's too late to do them. Also a destructor is not allowed to touch any other objects on Oilpan's heap.
  }
};

7.Web IDL绑定

当JavaScript访问node.firstChild时，将调用node.h中的Node :: firstChild（）。它是如何工作的？我们来看看node.firstChild是如何工作的。

首先，您需要根据规范定义IDL文件：

// node.idl
interface Node : EventTarget {
  [...] readonly attribute Node? firstChild;
};

Web IDL的语法在Web IDL规范中定义。 [...]称为IDL扩展属性。一些IDL扩展属性在Web IDL规范中定义，而其他属性是特定于Blink的IDL扩展属性。除了特定于Blink的IDL扩展属性外，IDL文件应以特定的方式编写（即只需从规范中复制和粘贴）。

其次，您需要为Node定义C ++类并为firstChild实现C ++ getter：

class EventTarget : public ScriptWrappable {  // All classes exposed to JavaScript must inherit from ScriptWrappable.
  ...;
};

class Node : public EventTarget {
  DEFINE_WRAPPERTYPEINFO();  // All classes that have IDL files must have this macro.
  Node* firstChild() const { return first_child_; }
};

在一般情况下，就是这样。构建node.idl时，IDL编译器会自动为Node接口和Node.firstChild生成Blink-V8绑定。自动生成的绑定在// src / out / {Debug，Release} / gen / third_party / blink / renderer / bindings / core / v8 / v8_node.h中生成。当JavaScript调用node.firstChild时，V8在v8_node.h中调用V8Node :: firstChildAttributeGetterCallback（），然后它调用您在上面定义的Node :: firstChild（）。

8.V8和Blink

8.1 Isolate, Context, World

当您编写涉及V8 API的代码时，了解Isolate，Context和World的概念非常重要。它们分别由代码库中的v8 :: Isolate，v8 :: Context和DOMWrapperWorld表示。

Isolate对应于物理线程。 Isolate : physical thread in Blink = 1 : 1。主线程有自己的隔离。工作线程有自己的隔离。

Context对应于全局对象（在Frame的情况下，它是Frame的窗口对象）。由于每个帧都有自己的窗口对象，因此渲染器进程中有多个上下文。当您调用V8 API时，您必须确保您处于正确的上下文中。否则，v8 :: Isolate :: GetCurrentContext（）将返回错误的上下文，在最坏的情况下，它将最终泄漏对象并导致安全问题。

World是支持Chrome扩展程序内容脚本的概念。世界与Web标准中的任何内容都不对应。内容脚本希望与网页共享DOM，但出于安全原因，必须将内容脚本的JavaScript对象与网页的JavaScript堆隔离。 （另外一个内容脚本的JavaScript堆必须与另一个内容脚本的JavaScript堆隔离。）为了实现隔离，主线程为网页创建一个主要世界，为每个内容脚本创建一个隔离的世界。主要世界和孤立的世界可以访问相同的C ++ DOM对象，但它们的JavaScript对象是隔离的。通过为一个C ++ DOM对象创建多个V8包装器来实现这种隔离。即每个世界一个V8包装器。

v8_blink_arch.jpg
Context，World和Frame之间有什么关系？

想象一下，主线上有N个世界（一个主要世界+（N - 1）个孤立的世界）。然后一个Frame应该有N个窗口对象，每个窗口对象用于一个世界。上下文是对应于窗口对象的概念。这意味着当我们有M帧和N个世界时，我们有M * N上下文（但是上下文是懒洋洋地创建的）。

对于worker，只有一个世界和一个全球对象。因此，只有一个上下文。

同样，当您使用V8 API时，您应该非常小心使用正确的上下文。否则，您最终会在孤立的世界之间泄漏JavaScript对象并导致安全灾难（例如，A.com的扩展可以操纵来自B.com的扩展）。

8.2 V8 API

在//v8/include/v8.h中定义了很多V8 API。由于V8 API是低级的并且难以正确使用，因此platform / bindings /提供了一堆包装V8 API的辅助类。您应该考虑尽可能多地使用帮助程序类。如果您的代码必须大量使用V8 API，那么这些文件应该放在bindings / {core，modules}中。

V8使用句柄指向V8对象。最常见的句柄是v8 :: Local <>，用于指向机器堆栈中的V8对象。在机器堆栈上分配v8 :: HandleScope后，必须使用v8 :: Local <>。不应在机器堆栈外使用v8 :: Local <>：

void function() {
  v8::HandleScope scope;
  v8::Local<v8::Object> object = ...;  // This is correct.
}

class SomeObject : public GarbageCollected<SomeObject> {
  v8::Local<v8::Object> object_;  // This is wrong.
};

8.3 V8 wrappers

每个C ++ DOM对象（例如，Node）具有其对应的V8包装器。准确地说，每个C ++ DOM对象每个世界都有相应的V8包装器。

V8包装器对其对应的C ++ DOM对象具有强引用。但是，C ++ DOM对象只有对V8包装器的弱引用。因此，如果您希望将V8包装器保持活动一段时间，则必须明确地执行此操作。否则，V8包装器将过早收集，V8包装器上的JS属性将丢失。

div = document.getElementbyId("div");
child = div.firstChild;
child.foo = "bar";
child = null;
gc();  // If we don't do anything, the V8 wrapper of |firstChild| is collected by the GC.
assert(div.firstChild.foo === "bar");  //...and this will fail.

如果我们不做任何事情，那么孩子会被GC收集，因此child.foo会丢失。为了使div.firstChild的V8包装器保持活动状态，我们必须添加一种机制，“只要div所属的DOM树可以从V8到达，就可以使div.firstChild的V8包装器保持活动状态”。

9.渲染管道

从HTML文件传送到Blink到屏幕上显示像素的过程很长。渲染管道的架构如下。

blink_render_process.jpg

• Overview: Life of a pixel

• DOM: core/dom/README.md

• Style: core/css/README.md

• Layout: core/layout/README.md

• Paint: core/paint/README.md

• Compositor thread: Chromium graphics**