浏览器架构、单线程js、事件循环、消息队列、宏任务和微任务
关键词:多进程、单线程、事件循环、消息队列、宏任务、微任务
看到这些词仿佛比较让人摸不着头脑,其实在我们的日常开发中,早就和他们打过交道了。
我来举几个常见的例子:
- 我执行了一段js,页面就卡了挺久才有响应
- 我触发了一个按钮的click事件,click事件处理器做出了响应
- 我用setTimeout(callback, 1000)给代码加了1s的延时,1秒里发生了很多事情,然后功能正常了
- 我用setInterval(callback, 100)给代码加了100ms的时间轮训,直到期待的那个变量出现再执行后续的代码,并且结合setTimeout删除这个定时器
- 我用Promise,async/await顺序执行了异步代码
- 我用EventEmitter、new Vue()做事件广播订阅
- 我用MutationObserver监听了DOM更新
- 我手写了一个Event类做事件的广播订阅
- 我用CustomEvent创建了自定义事件
- 我·······
其实上面举的这些click, setTimeout, setInterval, Promise,async/await, EventEmitter, MutationObserver, Event类, CustomEvent
与多进程、单线程、事件循环、消息队列、宏任务、微任务
或多或少的都有所联系。
而且也与浏览器的运行原理有一些关系,作为每天在浏览器里辛勤耕耘的前端工程师们,浏览器的运行原理(多进程、单线程、事件循环、消息队列、宏任务、微任务)可以说是必须要掌握的内容了,不仅对面试有用,对手上负责的开发工作也有很大的帮助。
浅谈浏览器架构
- 浏览器可以是哪种架构?
- 如何理解Chrome的多进程架构?
前端最核心的渲染进程包含哪些线程?
- 主线程(Main thread)(下载资源、执行js、计算样式、进行布局、绘制合成)
- 光栅线程(Raster thread)
- 合成线程(Compositor thread)
- 工作线程(Worker thread)
浅谈单线程js
- js引擎图
- 什么是单线程js?
- 单线程js属于浏览器的哪个进程?
- js为什么要设计成单线程的?
事件循环与消息队列
- 什么是事件循环?
- 什么是消息队列?
- 如何实现一个 EventEmitter(支持 on,once,off,emit)?
宏任务和微任务
- 哪些属于宏任务?
- 哪些属于微任务?
- 事件循环,消息队列与宏任务、微任务之间的关系是什么?
- 微任务添加和执行流程示意图
浏览器页面循环系统原理图
- 消息队列和事件循环
- setTimeout
- XMLHttpRequest
- 宏任务
- 参考资料
浅谈Chrome架构
浏览器可以是哪种架构?
浏览器本质上也是一个软件,它运行于操作系统之上,一般来说会在特定的一个端口开启一个进程去运行这个软件,开启进程之后,计算机为这个进程分配CPU资源、运行时内存,磁盘空间以及网络资源等等,通常会为其指定一个PID来代表它。
先来看看我的机器上运行的微信和Chrome的进程详情:
软件 | CPU(%) | 线程 | PID | 内存 | 端口 |
---|---|---|---|---|---|
微信 | 0.1 | 46 | 587 | 555MB | 124301 |
Chrome | 7.9 | 48 | 481 | 603MB | 1487 |
如果自己设计一个浏览器,浏览器可以是那种架构呢?
- 单进程架构(线程间通信)
- 多进程架构(进程间IPC通信)
如果浏览器单进程架构的话,需要在一个进程内做到网络、调度、UI、存储、GPU、设备、渲染、插件等等任务,通常来说可以为每个任务开启一个线程,形成单进程多线程的浏览器架构。
但是由于这些功能的日益复杂,例如将网络,存储,UI放在一个线程中的话,执行效率和性能越来越地下,不能再向下拆分出类似“线程”的子空间。
因此,为了逐渐强化浏览器的功能,于是产生了多进程架构的浏览器,可以将网络、调度、UI、存储、GPU、设备、渲染、插件等等任务分配给多个单独的进程,在每一个单独的进程内,又可以拆分出多个子线程,极大程度地强化了浏览器。
如何理解Chrome的多进程架构?
Chrome作为浏览器届里的一哥,他也是多进程IPC架构的。
Chrome多进程架构主要包括以下4个进程:
- Browser进程(负责地址栏、书签栏、前进后退、网络请求、文件访问等)
- Renderer进程(负责一个Tab内所有和网页渲染有关的所有事情,是最核心的进程)
- GPU进程(负责GPU相关的任务)
- Plugin进程(负责Chrome插件相关的任务)
Chrome 多进程架构的优缺点
优点
- 每一个Tab就是要给单独的进程
- 由于每个Tab都有自己独立的Renderer进程,因此某一个Tab出问题不会影响其它Tab
缺点
- Tab间内存不共享,不同进程内存包含相同内容
Chrome多进程架构实锤图
前端最核心的渲染(Renderer)进程包含哪些线程?
渲染进程主要包括4个线程:
- 主线程(Main thread)(下载资源、执行js、计算样式、进行布局、绘制合成)
- 光栅线程(Raster thread)
- 合成线程(Compositor thread)
- 工作线程(Worker thread)
渲染进程的主线程知识点:
- 下载资源:主线程可以通过Browser进程的network线程下载图片,css,js等渲染DOM需要的资源文件
- 执行JS:主线程在遇到
<script>
标签时,会下载并且执行js,执行js时,为了避免改变DOM的结构,解析HTML停滞,js执行完成后继续解析HTML。正是因为JS执行会阻塞UI渲染,而JS又是浏览器的一哥,因此浏览器常常被看做是单线程的。 - 计算样式:主线程会基于CSS选择器或者浏览器默认样式去进行样式计算,最终生成Computed Style
- 进行布局:主线程计算好样式以后,可以确定元素的位置信息以及盒模型信息,对元素进行布局
- 进行绘制:主线程根据先后顺序以及层级关系对元素进行渲染,通常会生成多个图层
- 最终合成:主线程将渲染后的多个frame(帧)合成,类似flash的帧动画和PS的图层
渲染进程的主线程细节可以查阅Chrome官方的博客:Inside look at modern web browser (part 3)和Rendering Performance
渲染进程的合成线程知识点:
- 浏览器滚动时,合成线程会创建一个新的合成帧发送给GPU
- 合成线程工作与主线程无关,不用等待样式计算或者JS的执行,因此合成线程相关的动画比涉及到主线程重新计算样式和js的动画更加流畅
下面来看下主线程、合成线程和光栅线程一起作用的过程
1.主线程主要遍历布局树生成层树
2.栅格线程栅格化磁贴到GPU
3.合成线程将磁贴合成帧并通过IPC传递给Browser进程,显示在屏幕上
图片引自Chrome官方博客:Inside look at modern web browser (part 3)
浅谈单线程js
js引擎图
应用程序(实现) | 方言和最后版本 | ECMAScript版本 |
---|---|---|
Google Chrome,V8引擎 | JavaScript | ECMA-262,版本6 |
Mozilla Firefox,Gecko排版引擎,SpiderMonkey和Rhino | JavaScript 1.8.5 | ECMA-262,版本6 |
Safari,Nitro引擎 | JavaScript | ECMA-262,版本6 |
Microsoft Edge,Chakra引擎 | JavaScript | EMCA-262,版本6 |
Opera,Carakan引擎(改用V8之前) | 一些JavaScript 1.5特性及一些JScript扩展[12] | ECMA-262,版本5.1 |
KHTML排版引擎,KDE项目的Konqueror | JavaScript 1.5 | ECMA-262,版本3 |
Adobe Acrobat | JavaScript 1.5 | ECMA-262,版本3 |
OpenLaszlo | JavaScript 1.4 | ECMA-262,版本3 |
Max/MSP | JavaScript 1.5 | ECMA-262,版本3 |
ANT Galio 3 | JavaScript 1.5附带RMAI扩展 | ECMA-262,版本3 |
什么是单线程js?
如果仔细阅读过第一部分“谈谈浏览器架构”的话,这个答案其实已经非常显而易见了。
在”前端最核心的渲染进程包含哪些线程?“这里我们提到了主线程(Main thread)(下载资源、执行js、计算样式、进行布局、绘制合成,注意其中的执行js,这里其实已经明确告诉了我们Chrome中JavaScript运行的位置。
那么Chrome中JavaScript运行的位置在哪里呢?
渲染进程(Renderer Process)中的主线程(Main Thread)
单线程js属于浏览器的哪个进程?
单线程的js -> 主线程(Main Thread)-> 渲染进程(Renderer Process)
js为什么要设计成单线程的?
其实更为严谨的表述是:“浏览器中的js执行和UI渲染是在一个线程中顺序发生的。”
这是因为在渲染进程的主线程在解析HTML生成DOM树的过程中,如果此时执行JS,主线程会主动暂停解析HTML,先去执行JS,等JS解析完成后,再继续解析HTML。
那么为什么要“主线程会主动暂停解析HTML,先去执行JS,再继续解析HTML呢”?
这是主线程在解析HTML生成DOM树的过程中会执行style,layout,render以及composite的操作,而JS可以操作DOM,CSSOM,会影响到主线程在解析HTML的最终渲染结果,最终页面的渲染结果将变得不可预见。
如果主线程一边解析HTML进行渲染,JS同时在操作DOM或者CSSOM,结果会分为以下情况:
- 以主线程解析HTML的渲染结果为准
- 以JS同时在操作DOM或者CSSOM的渲染结果为准
考虑到最终页面的渲染效果的一致性,所以js在浏览器中的实现,被设计成为了JS执行阻塞UI渲染型。
事件循环
什么是事件循环?
事件循环英文名叫做Event Loop,是一个在前端届老生常谈的话题。
我也简单说一下我对事件循环的认识:
事件循环可以拆为“事件”+“循环”。
先来聊聊“事件”:
如果你有一定的前端开发经验,对于下面的“事件”一定不陌生:
- click、mouseover等等交互事件
- 事件冒泡、事件捕获、事件委托等等
- addEventListener、removeEventListener()
- CustomEvent(自定义事件实现自定义交互)
- EventEmitter、EventBus(on,emit,once,off,这种东西经常出面试题)
- 第三方库的事件系统
有事件,就有事件处理器:在事件处理器中,我们会应对这个事件做一些特殊操作。
那么浏览器怎么知道有事件发生了呢?怎么知道用户对某个button做了一次click呢?
如果我们的主线程只是静态的,没有循环的话,可以用js伪代码将其表述为:
function mainThread() {console.log("Hello World!");
console.log("Hello JavaScript!");
}
mainThread();
执行完一次mainThread()之后,这段代码就无效了,mainThread并不是一种激活状态,对于I/O事件是没有办法捕获到的。
因此对事件加入了“循环”,将渲染进程的主线程变为激活状态,可以用js伪代码表述如下:
// click eventfunction clickTrigger() {
return "我点击按钮了"
}
// 可以是while循环
function mainThread(){
while(true){
if(clickTrigger()) { console.log(“通知click事件监听器”) }
clickTrigger = null;
}
}
mainThread();
也可以是for循环
for(;;){if(clickTrigger()) { console.log(“通知click事件监听器”) }
clickTrigger = null;
}
在事件监听器中做出响应:
button.addEventListener('click', ()=>{console.log("多亏了事件循环,我(浏览器)才能知道用户做了什么操作");
})
什么是消息队列?
消息队列可以拆为“消息”+“队列”。
消息可以理解为用户I/O;队列就是先进先出的数据结构。
而消息队列,则是用于连接用户I/O与事件循环的桥梁。
队列数据结构图
入队出队图
在js中,如何发现出队列FIFO的特性?
下面这个结构大家都熟悉,瞬间体现出队列FIFO的特性。
// 定义一个队列let queue = [1,2,3];
// 入队
queue.push(4); // queue[1,2,3,4]
// 出队
queue.shift(); // 1 queue [2,3,4]
假设用户做出了"click button1","click button3","click button 2"的操作。
事件队列定义为:
const taskQueue = ["click button1","click button3","click button 2"];while(taskQueue.length>0){
taskQueue.shift(); // 任务依次出队
}
任务依次出队:
"click button1"
"click button3"
"click button 2"
此时由于mainThread有事件循环,它会被浏览器渲染进程的主线程事件循环系统捕获,并在对应的事件处理器做出响应。
button1.addEventListener('click', ()=>{console.log("click button1");
})
button2.addEventListener('click', ()=>{
console.log("click button 2");
})
button3.addEventListener('click', ()=>{
console.log("click button3")
})
依次打印:"click button1","click button3","click button 2"。
因此,可以将消息队列理解为连接用户I/O操作和浏览器事件循环系统的任务队列。
如何实现一个 EventEmitter(支持 on,once,off,emit)?
/*** 说明:简单实现一个事件订阅机制,具有监听on和触发emit方法
* 示例:
* on(event, func){ ... }
* emit(event, ...args){ ... }
* once(event, func){ ... }
* off(event, func){ ... }
* const event = new EventEmitter();
* event.on('someEvent', (...args) => {
* console.log('some_event triggered', ...args);
* });
* event.emit('someEvent', 'abc', '123');
* event.once('someEvent', (...args) => {
* console.log('some_event triggered', ...args);
* });
* event.off('someEvent', callbackPointer); // callbackPointer为回调指针,不能是匿名函数
*/
class EventEmitter {
constructor() {
this.listeners = [];
}
on(event, func) {
const callback = () => (listener) => listener.name === event;
const idx = this.listeners.findIndex(callback);
if (idx === -1) {
this.listeners.push({
name: event,
callbacks: [func],
});
} else {
this.listeners[idx].callbacks.push(func);
}
}
emit(event, ...args) {
if (this.listeners.length === 0) return;
const callback = () => (listener) => listener.name === event;
const idx = this.listeners.findIndex(callback);
this.listeners[idx].callbacks.forEach((cb) => {
cb(...args);
});
}
once(event, func) {
const callback = () => (listener) => listener.name === event;
let idx = this.listeners.findIndex(callback);
if (idx === -1) {
this.listeners.push({
name: event,
callbacks: [func],
});
}
}
off(event, func) {
if (this.listeners.length === 0) return;
const callback = () => (listener) => listener.name === event;
let idx = this.listeners.findIndex(callback);
if (idx !== -1) {
let callbacks = this.listeners[idx].callbacks;
for (let i = 0; i < callbacks.length; i++) {
if (callbacks[i] === func) {
callbacks.splice(i, 1);
break;
}
}
}
}
}
// let event = new EventEmitter();
// let onceCallback = (...args) => {
// console.log("once_event triggered", ...args);
// };
// let onceCallback1 = (...args) => {
// console.log("once_event 1 triggered", ...args);
// };
// // once仅监听一次
// event.once("onceEvent", onceCallback);
// event.once("onceEvent", onceCallback1);
// event.emit("onceEvent", "abc", "123");
// // off销毁指定回调
// let onCallback = (...args) => {
// console.log("on_event triggered", ...args);
// };
// let onCallback1 = (...args) => {
// console.log("on_event 1 triggered", ...args);
// };
// event.on("onEvent", onCallback);
// event.on("onEvent", onCallback1);
// event.emit("onEvent", "abc", "123");
// event.off("onEvent", onCallback);
// event.emit("onEvent", "abc", "123");
宏任务和微任务
- 哪些属于宏任务?
- 哪些属于微任务?
- 事件循环,消息队列与宏任务、微任务之间的关系是什么?
- 微任务添加和执行流程示意图
哪些属于宏任务?
- setTimeout
- setInterval
- setImmediate
- requestAnimationFrame
- I/O
- UI渲染
哪些属于微任务?
- Promise
- MutationObserver
- process.nextTick
- queueMicrotask
事件循环,消息队列与宏任务、微任务之间的关系是什么?
- 宏任务入队消息队列,可以将消息队列理解为宏任务队列
- 每个宏任务内有一个微任务队列,执行过程中微任务入队当前宏任务的微任务队列
- 宏任务微任务队列为空时才会执行下一个宏任务
- 事件循环捕获队列出队的宏任务和微任务并执行
事件循环会不断地处理消息队列出队的任务,而宏任务指的就是入队到消息队列中的任务,每个宏任务都有一个微任务队列,宏任务在执行过程中,如果此时产生微任务,那么会将产生的微任务入队到当前的微任务队列中,在当前宏任务的主要任务完成后,会依次出队并执行微任务队列中的任务,直到当前微任务队列为空才会进行下一个宏任务。
微任务添加和执行流程示意图
假设在执行解析HTML这个宏任务的过程中,产生了Promise和MutationObserver这两个微任务。
// parse HTML···Promise.resolve();
removeChild();
微任务队列会如何表现呢?
图片引自:极客时间的《浏览器工作原理与实践》
过程可以拆为以下几步:
- 主线程执行JS
Promise.resolve(); removeChild();
- parseHTML宏任务暂停
- Promise和MutationObserver微任务入队到parseHTML宏任务的微任务队列
- 微任务1 Promise.resolve()执行
- 微任务2 removeChild();执行
- 微任务队列为空,parseHTML宏任务继续执行
- parseHTML宏任务完成,执行下一个宏任务
浏览器页面循环系统原理图
以下所有图均来自极客时间《《浏览器工作原理与实践》- 浏览器中的页面循环系统》,可以帮助理解消息队列,事件循环,宏任务和微任务。
- 消息队列和事件循环
- setTimeout
- XMLHttpRequest
- 宏任务
消息队列和事件循环
线程的一次执行
在线程中引入事件循环
渲染进程线程之间发送任务
线程模型:队列 + 循环
跨进程发送消息
单个任务执行时间过久
setTimeout
长任务导致定时器被延后执行
循环嵌套调用 setTimeout
XMLHttpRequest
消息循环系统调用栈记录
XMLHttpRequest 工作流程图
HTTPS 混合内容警告
使用 XMLHttpRequest 混合资源失效
宏任务
宏任务延时无法保证
参考资料
- https://www.infoq.cn/article/...
- https://developers.google.com...
- https://juejin.im/post/5a7bf0...
- https://time.geekbang.org/col...
- https://segmentfault.com/a/11...
- https://zh.wikipedia.org/wiki...
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