DoEmpty
DoEmpty

引-JS 运行机制最全面的一次梳理

原文
前言

最近发现有不少介绍JS单线程运行机制的文章，但是发现很多都仅仅是介绍某一部分的知识，而且各个地方的说法还不统一，容易造成困惑。

因此准备梳理这块知识点，结合已有的认知，基于网上的大量参考资料，从浏览器多进程到JS单线程，将JS引擎的运行机制系统的梳理一遍。

展现形式：由于是属于系统梳理型，就没有由浅入深了，而是从头到尾的梳理知识体系， 重点是将关键节点的知识点串联起来，而不是仅仅剖析某一部分知识。

内容是：从浏览器进程，再到浏览器内核运行，再到JS引擎单线程，再到JS事件循环机制，从头到尾系统的梳理一遍，摆脱碎片化，形成一个知识体系

目标是：看完这篇文章后，对浏览器多进程，JS单线程，JS事件循环机制这些都能有一定理解， 有一个知识体系骨架，而不是似懂非懂的感觉。

另外，本文适合有一定经验的前端人员，新手请规避，避免受到过多的概念冲击。可以先存起来，有了一定理解后再看，也可以分成多批次观看，避免过度疲劳。

大纲

  • 区分进程和线程

  • 浏览器是多进程的

  • 浏览器都包含哪些进程？

  • 浏览器多进程的优势

  • 重点是浏览器内核（渲染进程）

  • Browser进程和浏览器内核（Renderer进程）的通信过程

  • 梳理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

  • JS阻塞页面加载

  • WebWorker，JS的多线程？

  • WebWorker与SharedWorker

  • 简单梳理下浏览器渲染流程

  • load事件与DOMContentLoaded事件的先后

  • css加载是否会阻塞dom树渲染？

  • 普通图层和复合图层

  • 从Event Loop谈JS的运行机制

  • 事件循环机制进一步补充

  • 单独说说定时器

  • setTimeout而不是setInterval

  • 事件循环进阶：macrotask与microtask

  • 写在最后的话

区分进程和线程

线程和进程区分不清，是很多新手都会犯的错误，没有关系。这很正常。先看看下面这个形象的比喻：

`- 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`

再完善完善概念：

`- 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）`

然后再巩固下：

如果是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。

image.gif

所以，应该更容易理解了：进程是cpu资源分配的最小单位（系统会给它分配内存）

最后，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。

关于以上几点的验证，请再第一张图：

image.gif

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

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
  1. 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
  2. GPU进程：最多一个，用于3D绘制等
  3. 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）

当然，浏览器有时会将多个进程合并（譬如打开多个空白标签页后，会发现多个空白标签页被合并成了一个进程），如图

image.gif

另外，可以通过Chrome的更多工具 -> 任务管理器自行验证

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

可以这样理解，页面的渲染，JS的执行，事件的循环，都在这个进程内进行。接下来重点分析这个进程

请牢记，浏览器的渲染进程是多线程的（这点如果不理解，请回头看进程和线程的区分）

终于到了线程这个概念了?，好亲切。那么接下来看看它都包含了哪些线程（列举一些主要常驻线程）：

  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。
  1. 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（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。
  1. 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）
  1. 定时触发器线程
  • 传说中的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）
  • 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。
  1. 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。

看到这里，如果觉得累了，可以先休息下，这些概念需要被消化，毕竟后续将提到的事件循环机制就是基于事件触发线程的，所以如果仅仅是看某个碎片化知识， 可能会有一种似懂非懂的感觉。要完成的梳理一遍才能快速沉淀，不易遗忘。放张图巩固下吧：

image.gif

再说一点，为什么JS引擎是单线程的？额，这个问题其实应该没有标准答案，譬如，可能仅仅是因为由于多线程的复杂性，譬如多线程操作一般要加锁，因此最初设计时选择了单线程。。。

Browser进程和浏览器内核（Renderer进程）的通信过程

看到这里，首先，应该对浏览器内的进程和线程都有一定理解了，那么接下来，再谈谈浏览器的Browser进程（控制进程）是如何和内核通信的， 这点也理解后，就可以将这部分的知识串联起来，从头到尾有一个完整的概念。

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

这里绘一张简单的图：（很简化）

image.gif

看完这一整套流程，应该对浏览器的运作有了一定理解了，这样有了知识架构的基础后，后续就方便往上填充内容。

这块再往深处讲的话就涉及到浏览器内核源码解析了，不属于本文范围。

如果这一块要深挖，建议去读一些浏览器内核源码解析文章，或者可以先看看参考下来源中的第一篇文章，写的不错

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：

`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`

这样理解下：

  • 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。

其它，关于Worker的详解就不是本文的范畴了，因此不再赘述。

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

本来是直接计划开始谈JS运行机制的，但想了想，既然上述都一直在谈浏览器，直接跳到JS可能再突兀，因此，中间再补充下浏览器的渲染流程（简单版本）

为了简化理解，前期工作直接省略成：（要展开的或完全可以写另一篇超长文）

`- 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）

image.gif

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。

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

可以Chrome源码调试 -> More Tools -> Rendering -> Layer borders中看到，黄色的就是复合图层信息

如下图。可以验证上述的说法

image.gif

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）