浏览器原理 - 事件循环

最近在抖音上刷到很多次 袁进老师 的前端视频,然后就听了一下他的前端大师课,感觉了解一些浏览器原理后,原来工作中的一些疑问也自然解开了。

浏览器的进程模型

何为进程?

程序运行需要有它自己专属的内存空间,可以把这块内存空间简单的理解为进程

进程
进程

每个应用至少有一个进程,进程之间相互独立,即使要通信,也需要双方同意。

何为线程?

有了进程后,就可以运行程序的代码了。

运行代码的「人」称之为「线程」。

一个进程至少有一个线程,所以在进程开启后会自动创建一个线程来运行代码,该线程称之为主线程。

如果程序需要同时执行多块代码,主线程就会启动更多的线程来执行代码,所以一个进程中可以包含多个线程。

线程
线程

浏览器有哪些进程和线程?

浏览器是一个多进程多线程的应用程序,浏览器内部工作极其复杂。

为了避免相互影响,为了减少连环崩溃的几率,当启动浏览器后,它会自动启动多个进程。

浏览器进程
浏览器进程

可以在浏览器的任务管理器中查看当前的所有进程

其中,最主要的进程有:

  1. 浏览器进程

    主要负责界面显示、用户交互、子进程管理等。浏览器进程内部会启动多个线程处理不同的任务。

  2. 网络进程

    负责加载网络资源。网络进程内部会启动多个线程来处理不同的网络任务。

  3. 渲染进程(本篇重点讲解的进程)

    渲染进程启动后,会开启一个渲染主线程,主线程负责执行 HTML、CSS、JS 代码。

    默认情况下,浏览器会为每个标签页开启一个新的渲染进程,以保证不同的标签页之间不相互影响。

    将来该默认模式可能会有所改变,有兴趣的同学可参见 chrome 官方说明文档

渲染主线程是如何工作的?

渲染主线程是浏览器中最繁忙的线程,需要它处理的任务包括但不限于:

  • 解析 HTML
  • 解析 CSS
  • 计算样式
  • 布局
  • 处理图层
  • 每秒把页面画 60 次
  • 执行全局 JS 代码
  • 执行事件处理函数
  • 执行计时器的回调函数
  • ……

思考题:为什么渲染进程不适用多个线程来处理这些事情?

要处理这么多的任务,主线程遇到了一个前所未有的难题:如何调度任务?

比如:

  • 我正在执行一个 JS 函数,执行到一半的时候用户点击了按钮,我该立即去执行点击事件的处理函数吗?
  • 我正在执行一个 JS 函数,执行到一半的时候某个计时器到达了时间,我该立即去执行它的回调吗?
  • 浏览器进程通知我“用户点击了按钮”,与此同时,某个计时器也到达了时间,我应该处理哪一个呢?
  • ……

渲染主线程想出了一个绝妙的主意来处理这个问题:排队

消息队列
消息队列

  1. 在最开始的时候,渲染主线程会进入一个无限循环
  2. 每一次循环会检查消息队列中是否有任务存在。如果有,就取出第一个任务执行,执行完一个后进入下一次循环;如果没有,则进入休眠状态。
  3. 其他所有线程(包括其他进程的线程)可以随时向消息队列添加任务。新任务会加到消息队列的末尾。在添加新任务时,如果主线程是休眠状态,则会将其唤醒以继续循环拿取任务

这样一来,就可以让每个任务有条不紊的、持续的进行下去了。整个过程,被称之为事件循环(消息循环)

若干解释

何为异步?

代码在执行过程中,会遇到一些无法立即处理的任务,比如:

  • 计时完成后需要执行的任务 —— setTimeoutsetInterval
  • 网络通信完成后需要执行的任务 – XHRFetch
  • 用户操作后需要执行的任务 – addEventListener

如果让渲染主线程等待这些任务的时机达到,就会导致主线程长期处于「阻塞」的状态,从而导致浏览器「卡死」

同步策略
同步策略

渲染主线程承担着极其重要的工作,无论如何都不能阻塞!

因此,浏览器选择异步来解决这个问题

异步策略
异步策略

使用异步的方式,渲染主线程永不阻塞

面试题:如何理解 JS 的异步?

参考答案:

JS 是一门单线程的语言,这是因为它运行在浏览器的渲染主线程中,而渲染主线程只有一个。

而渲染主线程承担着诸多的工作,渲染页面、执行 JS 都在其中运行。

如果使用同步的方式,就极有可能导致主线程产生阻塞,从而导致消息队列中的很多其他任务无法得到执行。这样一来,一方面会导致繁忙的主线程白白的消耗时间,另一方面导致页面无法及时更新,给用户造成卡死现象。

所以浏览器采用异步的方式来避免。具体做法是当某些任务发生时,比如计时器、网络、事件监听,主线程将任务交给其他线程去处理,自身立即结束任务的执行,转而执行后续代码。当其他线程完成时,将事先传递的回调函数包装成任务,加入到消息队列的末尾排队,等待主线程调度执行。

在这种异步模式下,浏览器永不阻塞,从而最大限度的保证了单线程的流畅运行。

JS 为何会阻碍渲染?

先看代码

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<h1>Mr.Yuan is awesome!</h1>
<button>change</button>
<script>
  var h1 = document.querySelector('h1');
  var btn = document.querySelector('button');

  // 死循环指定的时间
  function delay(duration) {
    var start = Date.now();
    while (Date.now() - start < duration) {}
  }

  btn.onclick = function () {
    h1.textContent = '袁老师很帅!';
    delay(3000);
  };
</script>

点击按钮后,会发生什么呢?

<复制代码自行演示>

任务有优先级吗?

任务没有优先级,在消息队列中先进先出

消息队列是有优先级的

根据 W3C 的最新解释:

随着浏览器的复杂度急剧提升,W3C 不再使用宏队列的说法

在目前 chrome 的实现中,至少包含了下面的队列:

  • 微队列:用户存放需要最快执行的任务,优先级「最高」
  • 延时队列:用于存放计时器到达后的回调任务,优先级「中」
  • 交互队列:用于存放用户操作后产生的事件处理任务,优先级「高」

多队列演示图
多队列演示图

添加任务到微队列的主要方式主要是使用 Promise、MutationObserver,例如:

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// 立即把一个函数添加到微队列
Promise.resolve().then(() => {})

浏览器还有很多其他的队列,由于和我们开发关系不大,不作考虑。

面试题:阐述一下 JS 的事件循环

参考答案:

事件循环又叫做消息循环,是浏览器渲染主线程的工作方式。

在 Chrome 的源码中,它开启一个不会结束的 for 循环,每次循环从消息队列中取出第一个任务执行,而其他线程只需要在合适的时候将任务加入到队列末尾即可。

过去把消息队列简单分为宏队列和微队列,这种说法目前已无法满足复杂的浏览器环境,取而代之的是一种更加灵活多变的处理方式。

根据 W3C 官方的解释,每个任务有不同的类型,同类型的任务必须在同一个队列,不同的任务可以属于不同的队列。不同任务队列有不同的优先级,在一次事件循环中,由浏览器自行决定取哪一个队列的任务。但浏览器必须有一个微队列,微队列的任务一定具有最高的优先级,必须优先调度执行。

面试题:JS 中的计时器能做到精确计时吗?为什么?

参考答案:

不行,因为:

  1. 计算机硬件没有原子钟,无法做到精确计时
  2. 操作系统的计时函数本身就有少量偏差,由于 JS 的计时器最终调用的是操作系统的函数,也就携带了这些偏差
  3. 按照 W3C 的标准,浏览器实现计时器时,如果嵌套层级超过 5 层,则会带有 4 毫秒的最少时间,这样在计时时间少于 4 毫秒时又带来了偏差
  4. 受事件循环的影响,计时器的回调函数只能在主线程空闲时运行,因此又带来了偏差
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