浅析Chrome架构

我们知道Chrome打开了1个页面，会启动多个进程。

很多朋友对进程和线程一直处于一知半解的状态，今天就来彻底弄懂。在弄懂进程和线程之前，我们需要知道什么是并行处理。

并行处理

计算机中的并行处理就是同一时刻处理多个任务，比如我们要计算下面这三个表达式的值，并显示出结果

let A = 1+2
let B = 2/2
let C = 1*2
console.log(A,B,C)

把这个过程拆分为四个任务：

任务1 是计算A=1+2；
任务2 是计算B=2/2；
任务3 是计算C=1*2；
任务4 是显示最后计算的结果
正常情况下程序可以使用单线程来处理，也就是分四步按照顺序分别执行这四个任务。

如果采用多线程，我们只需分“两步走”：第一步，使用三个线程同时执行前三个任务；第二步，再执行第四个显示任务。

通过对比分析，发现用单线程执行需要四步，而使用多线程只需要两步。因此，使用并行处理能大大提升性能。

线程和进程

线程：多线程可以并行处理任务，但是线程是不能单独存在的，它是由进程来启动和管理的。

进程：一个进程就是一个程序的运行实例。详细解释就是，启动一个程序的时候，操作系统会为该程序创建一块内存，用来存放代码、运行中的数据和一个执行任务的主线程，这样的一个运行环境就叫进程。

线程是依附于进程的，而进程中使用多线程并行处理能提升运算效率。

进程中的任意一线程执行出错，都会导致整个进程的崩溃。

我们可以模拟以下场景：

let A = 1+2
let B = 2/0
let C = 1*2
console.log(A,B,C)

上述三个表达式稍作修改，在计算B的值的时候，把表达式的分母改成0，当线程执行到B = 2/0时，由于分母为0，线程会执行出错，这样就会导致整个进程的崩溃，另外两个线程执行的结果也没有了。

线程之间共享进程中的数据。

线程之间可以对进程的公共数据进行读写操作。

线程1、线程2、线程3分别把执行的结果写入A、B、C中，然后线程2继续从A、B、C中读取数据，用来显示执行结果。

当一个进程关闭之后，操作系统会回收进程所占用的内存。

当一个进程退出时，操作系统会回收该进程所申请的所有资源；即使其中任意线程因为操作不当导致内存泄漏，当进程退出时，这些内存也会被正确回收。

比如IE浏览器，支持很多插件，而这些插件很容易导致内存泄漏，这意味着只要浏览器开着，内存占用就有可能会越来越多，但是当关闭浏览器进程时，这些内存就都会被系统回收掉。

进程之间的内容相互隔离。

进程隔离是为保护操作系统中进程互不干扰的技术，每一个进程只能访问自己占有的数据，也就避免出现进程A写入数据到进程B的情况。正是因为进程之间的数据是严格隔离的，所以一个进程如果崩溃了，或者挂起了，是不会影响到其他进程的。如果进程之间需要进行数据的通信，这时候，就需要使用用于进程间通信（IPC）的机制了。

单进程浏览器时代

单进程浏览器是指浏览器的所有功能模块都是运行在同一个进程里，这些模块包含了网络、插件、JavaScript运行环境、渲染引擎和页面等。早在2007年之前，市面上浏览器都是单进程的。

如此多的功能模块运行在一个进程里，是导致单进程浏览器不稳定、不流畅和不安全的一个主要因素。

问题1：不稳定

早期浏览器需要借助于插件来实现诸如Web视频、Web游戏等各种强大的功能，但是插件是最容易出问题的模块，并且还运行在浏览器进程之中，所以一个插件的意外崩溃会引起整个浏览器的崩溃。

除了插件之外，渲染引擎模块也是不稳定的，通常一些复杂的JavaScript代码就有可能引起渲染引擎模块的崩溃。和插件一样，渲染引擎的崩溃也会导致整个浏览器的崩溃。

问题2：不流畅

所有页面的渲染模块、JavaScript执行环境以及插件都是运行在同一个线程中的，这就意味着同一时刻只能有一个模块可以执行。

比如，下面这个无限循环的脚本：

function freeze() {
   while (1) {
	console.log("freeze");
   }
}
freeze();

如果让这个脚本运行在一个单进程浏览器的页面里，会发生什么？

因为这个脚本是无限循环的，所以当其执行时，它会独占整个线程，这样导致其他运行在该线程中的模块就没有机会被执行。因为浏览器中所有的页面都运行在该线程中，所以这些页面都没有机会去执行任务，这样就会导致整个浏览器失去响应，变卡顿。

除了上述脚本或者插件会让单进程浏览器变卡顿外，页面的内存泄漏也是单进程变慢的一个重要原因。通常浏览器的内核都是非常复杂的，运行一个复杂点的页面再关闭页面，会存在内存不能完全回收的情况，这样导致的问题是使用时间越长，内存占用越高，浏览器会变得越慢。

问题3：不安全

这里依然可以从插件和页面脚本两个方面来解释该原因。

插件可以使用C/C++等代码编写，通过插件可以获取到操作系统的任意资源，当在页面运行一个插件时也就意味着这个插件能完全操作你的电脑。如果是个恶意插件，那么它就可以释放病毒、窃取你的账号密码，引发安全性问题。

至于页面脚本，它可以通过浏览器的漏洞来获取系统权限，这些脚本获取系统权限之后也可以对你的电脑做一些恶意的事情，同样也会引发安全问题。

以上这些就是当时浏览器的特点，不稳定，不流畅，而且不安全。

当你正在用浏览器打开多个页面时，突然某个页面崩溃了或者失去响应，随之而来的是整个浏览器的崩溃或者无响应，然后你发现你给老板写的邮件页面也随之消失了，这时你的心情会不会和页面一样崩溃呢。

多进程浏览器时代

早期多进程架构

Chrome的页面是运行在单独的渲染进程中的，同时页面里的插件也是运行在单独的插件进程之中，而进程之间是通过IPC机制进行通信（如图中虚线部分）。

如何解决不稳定的问题

由于进程是相互隔离的，所以当一个页面或者插件崩溃时，影响到的仅仅是当前的页面进程或者插件进程，并不会影响到浏览器和其他页面，这就完美地解决了页面或者插件的崩溃会导致整个浏览器崩溃，也就是不稳定的问题。

如何解决不流畅的问题

同样，JavaScript也是运行在渲染进程中的，所以即使JavaScript阻塞了渲染进程，影响到的也只是当前的渲染页面，而并不会影响浏览器和其他页面，因为其他页面的脚本是运行在它们自己的渲染进程中的。所以当我们再在Chrome中运行上面那个死循环的脚本时，没有响应的仅仅是当前的页面。

如何解决内存泄漏的问题

因为当关闭一个页面时，整个渲染进程也会被关闭，之后该进程所占用的内存都会被系统回收，这样就轻松解决了浏览器页面的内存泄漏问题。

采用多进程架构的额外好处是可以使用安全沙箱，你可以把沙箱看成是操作系统给进程上了一把锁，沙箱里面的程序可以运行，但是不能在你的硬盘上写入任何数据，也不能在敏感位置读取任何数据，例如你的文档和桌面。Chrome把插件进程和渲染进程锁在沙箱里面，这样即使在渲染进程或者插件进程里面执行了恶意程序，恶意程序也无法突破沙箱去获取系统权限。

目前多进程架构

最新的Chrome浏览器包括：1个浏览器（Browser）主进程、1个 GPU 进程、1个网络（NetWork）进程、多个渲染进程和多个插件进程。

• 浏览器进程：主要负责界面显示、用户交互、子进程管理，同时提供存储等功能。
• 渲染进程：核心任务是将 HTML、CSS 和 JavaScript 转换为用户可以与之交互的网页，排版引擎Blink和JavaScript引擎V8都是运行在该进程中，默认情况下，Chrome会为每个Tab标签创建一个渲染进程。出于安全考虑，渲染进程都是运行在沙箱模式下。
• GPU进程：其实，Chrome刚开始发布的时候是没有GPU进程的。而GPU的使用初衷是为了实现3D CSS的效果，只是随后网页、Chrome的UI界面都选择采用GPU来绘制，这使得GPU成为浏览器普遍的需求。最后，Chrome在其多进程架构上也引入了GPU进程。
• 网络进程：主要负责页面的网络资源加载，之前是作为一个模块运行在浏览器进程里面的，直至最近才独立出来，成为一个单独的进程。
• 插件进程：主要是负责插件的运行，因插件易崩溃，所以需要通过插件进程来隔离，以保证插件进程崩溃不会对浏览器和页面造成影响

Chrome打开了1个页面，会启动多个进程，就是因为打开1个页面至少需要1个网络进程、1个浏览器进程、1个GPU进程以及1个渲染进程，共4个；如果打开的页面有运行插件的话，还需要再加上1个插件进程。

虽然多进程模型提升了浏览器的稳定性、流畅性和安全性，但同样不可避免地带来了一些问题。

• 更高的资源占用。因为每个进程都会包含公共基础结构的副本（如JavaScript运行环境），这就意味着浏览器会消耗更多的内存资源。
• 更复杂的体系架构。浏览器各模块之间耦合性高、扩展性差等问题，会导致现在的架构已经很难适应新的需求了。

未来面向服务的架构

目前Chrome正处在老的架构向服务化架构过渡阶段。

Chrome正在逐步构建Chrome基础服务，如果你认为Chrome是“便携式操作系统”，那么Chrome基础服务便可以被视为该操作系统的“基础”系统服务层。

同时Chrome还提供灵活的弹性架构，在强大性能设备上会以多进程的方式运行基础服务，但是如果在资源受限的设备上（如下图），Chrome会将很多服务整合到一个进程中，从而节省内存占用。

本文主要是从Chrome进程架构的视角，分析了浏览器的进化史。

• 最初的浏览器都是单进程的，它们不稳定、不流畅且不安全，之后出现了Chrome，创造性地引入了多进程架构，并解决了这些遗留问题。
• 随后Chrome试图应用到更多业务场景，如移动设备、VR、视频等，为了支持这些场景，Chrome的架构体系变得越来越复杂，这种架构的复杂性倒逼Chrome开发团队必须进行架构的重构。
• 最终Chrome团队选择了面向服务架构（SOA）形式，这也是Chrome团队现阶段的一个主要任务。

鉴于目前架构的复杂性，要完整过渡到面向服务架构，估计还需要好几年时间才能完成。不过Chrome开发是一个渐进的过程，新的特性会一点点加入进来。

总体说来，Chrome是以一个非常快速的速度在进化，越来越多的业务和应用都逐渐转至浏览器来开发。