前端进阶之旅

# 线程和进程

进程和线程的概念可以这样理解：

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

工厂有多个工人，就相当于一个进程可以有多个线程，而且线程共享进程的空间。

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，系统会给它分配内存） 线程是cpu调试的最小单位（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。核心还是属于一个进程。）

# 浏览器是多进程的

浏览器是多进程的，每打开一个tab页，就相当于创建了一个独立的浏览器进程。

# 浏览器包含的进程：

  1. Browser进程：浏览器的主进程（负责协调，主控），只有一个，作用有：
    • 负责浏览器的界面显示，与用户交互，如前进，后退等
    • 负责各个页面的管理，创建和销毁其它进程
    • 将Rendered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
  2. 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。
  3. GPU进程：最多一个，用于3D绘制等。
  4. 浏览器渲染进程（浏览器内核）（Render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

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）

# 浏览器多进程的优势

  • 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

简单理解就是：如果浏览器是单进程的，某个Tab页崩溃了，就影响了整个浏览器，体验就会很差。同理如果是单进程的，插件崩溃了也会影响整个浏览器; 当然，内存等资源消耗也会更大，像空间换时间一样。

# 重点是浏览器内核（渲染进程）

对于普通的前端操作来说，最重要的渲染进程：页面的渲染，js的执行，事件的循环等都在这个进程内执行;

浏览器是多进程的，浏览器的渲染进程是多线程的；

# 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。
  • 当界面需要重绘或由于某种操作引发回流时，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。

# 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（render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。

# 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（可以理解成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它线程，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）。

# 定时触发器线程

  • 传说中的setTimeout和setInterval所在的线程
  • 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。

# 异步http请求线程

  • 在XMLHttpRequest在连接后是通过浏览器新型一个线程请求
  • 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

总结下来，渲染进程如下：

# Browser主进程和浏览器内核（渲染进程）的通信过程

打开一个浏览器，可以看到：任务管理器出现了2个进程（一个主进程，一个是打开Tab页的渲染进程）；

  • Browser主进程收到用户请求，首先需要获取页面内容（如通过网络下载资源）,随后将该任务通过RendererHost接口传递给Render渲染进程
  • Render渲染进程的Renderer接口收到消息，简单解释后，交给渲染线程GUI，然后开始渲染
  • GUI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主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（这可能会造成回流并重绘）
  • 最后Render渲染进程将结果传递给Browser主进程
  • Browser主进程接收到结果并将结果绘制出来

# 浏览器内核（渲染进程）中线程之间的关系

GUI渲染线程与JS引擎线程互斥

由于JavaScript是可操作DOM的，如果在修改这些元素属性同时渲染界面（即JS线程和GUI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，浏览器就设置了互斥的关系，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，也会被保存在队列中，要等到JS引擎空闲后执行。然后由于巨量计算，所以JS引擎可能很久很久才能空闲，肯定就会感觉很卡。

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。

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。 然后还有几个现象：

  1. css加载不会阻塞DOM树解析（异步加载时dom照常构建）
  2. 但会阻塞render树渲染（渲染时需要等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 所以干脆把DOM树的结构先解析完，把可以做的工作做完，然后等css加载完之后，在根据最终的样式来渲染render树，这种做法确实对性能好一点。

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WebWorker。

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。

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

# 总结浏览器渲染流程

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Render进程--浏览器渲染流程开始

浏览器内核拿到内容后，渲染大概可以划分为：

  1. 解析html建立dom要
  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

渲染完毕后就是load事件了，之后就是自己的JS逻辑处理了，略去了详细步骤。

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

# 普通图层和复合图层

渲染步骤就提到了composite概念;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。

  1. 普通文档流内可以理解为一个复合图层（这里默认复合层，里面不管添加多少元素，其实都是在同个复合图层中）
  2. absolute布局（fixed也一样），虽然可以脱离文档流，但它仍然属于默认复合层
  3. 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

如何变成复合图层（硬件加速）

将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）
  • <video><iframe><canvas><webgl>等元素
  • 其它，譬如以前的flash插件

absolute和硬件加速的区别

可以看到，absolute虽然可以脱离普通文档流，但是无法脱离默认复合层。

所以，就算absolute中信息改变时不会改变普通文档流中render树，但是，浏览器最终绘制时，是整个复合层绘制的，所以absolute中信息的改变，仍然会影响整个复合层的绘制。（浏览器会重绘它，如果复合层中内容多，absolute带来的绘制信息变化过大，资源消耗是非常严重的）

而硬件加速直接就是在另一个复合层了（另起炉灶），所以它的信息改变不会影响默认复合层（当然了，内部肯定会影响属于自己的复合层），仅仅是引发最后的合成（输出视图）

复合图层的作用

一般一个元素开启硬件加速后会变成复合图层，可以独立于普通文档流中，改动后可以避免整个页面重绘，提升性能。 但是尽量不要大量使用复合图层，否则由于资源消耗过度，页面反而会变的更卡。

硬件加速时请使用index

使用硬件加速时，尽可能的使用index,防止浏览器默认给后续的元素创建复合层渲染 具体的原理是： webkit CSS3中，如果这个元素添加了硬件加速，并且index层级比较低，那么在这个元素的后面其它元素（层级比这个元素高的，或者相同的，并且relective或absolute属性相同的），会默认变为复合层渲染，如果处理不当会极大的影响性能

简单点理解，可以认为是一个隐式合成的概念：如果a是一个复合层，而且b在a上面，那么b也会被隐式转为一个复合图层，这点需要特别注意

# 从Event Loop谈JS的运行机制

到此时，已经是属于浏览器页面初次渲染完毕后的事情，JS引擎的一些运行机制分析。主要是结合Event Loop来谈JS代码是如何执行的。 我们已经知道了JS引擎是单线程的，知道了JS引擎线程，事件触发线程，定时触发器线程。 然后还需要知道：

  • JS分为同步任务和异步任务
  • 同步任务都在主线程上执行，形成一个执行栈
  • 主线程之外，事件触发线程管理着一个任务队列，只要异步任务有了运行结果，就在任务队列之中放置一个事件
  • 一旦执行栈中的所有同步任务执行完毕（此时JS引擎空闲），系统就会读取任务队列，将可运行的异步任务添加到可执行栈，开始执行。

看到这里，应该就可以理解了：为什么有时候setTimeOut推入的事件不能准时执行？因为可能在它推入到事件列表时，主线程还不空闲，正在执行其它代码，所以就必须等待，自然有误差。

主线程在运行时会产生执行栈，栈中的代码调用某些api时，它们会在事件队列中添加各种事件（当满足触发条件后，如ajax请求完毕）。而当栈中的代码执行完毕，就会去读取事件队列中的事件，去执行那些回调，如此循环。

# 定时器

上面事件循环机制的核心是：JS引擎线程和事件触发线程

调用setTimeout后，是由定时器线程控制等到特定时间后添加到事件队列的，因为JS引擎是单线程的，如果处于阻塞线程状态就会影响计时准确，因此很有必要另开一个线程用来计时。

当使用setTimout或setInterval时，需要定时器线程计时，计时完成后就会将特定的事件推入事件队列中。

如：

setTimeout(()=>console.log('hello!),1000)
//等1000毫秒计时完毕后（由定时器线程计时），将回调函数推入事件队列中，等待主线程执行

setTimeout(()=>{
    console.log('hello')
},0)
console.log('begin')

这段代码的效果是最快的时间内将回调函数推入事件队列中，等待主线程执行。

注意：

  1. 执行结果是：先begin，后hello
  2. 虽然代码的本意是0毫秒就推入事件队列，但是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
  3. 就算不等待4ms，就算假设0毫秒就推入事件队列，也会先执行begin（因为只能可执行栈内空了后才会主动读取事件队列）

setInterval

用setTimeout模拟定期计时和直接用setInterval是有区别的：

  • 每次setTimeout计时到后就会去执行，然后执行一段时间后才会继续setTimeout,中间就多了误差
  • 而setInterval则是每次都精确的隔一段时间推入一个事件（但是，事件的实际执行时间不一定就准确，还有可能是这个事件还没执行完毕，下一个事件就来了）

而且setInterval有一些比较致命的问题：

  • 累积效应，如果setInterval代码在setInterval再次添加到队列之前还没有完成执行，就会导致定时器代码连续运行好几次，而之间没有间隔，就算正常间隔执行，多个setInterval的代码执行时间可能会比预期小（因为代码执行需要一定时间）
  • 比如你ios的webview，或者safari等浏览器中都有一人特点，在滚动的时候是不执行JS的，如果使用了setInterval，会发现在滚动结束后会执行多次由于滚动不执行JS积攒回调，如果回调执行时间过长，就会非常容易造成卡顿问题和一些不可知的错误（setInterval自带的优化，如果当前事件队列中有setInterval的回调，不会重复添加回调）
  • 而且把浏览器最小化显示等操作时，setInterval并不是不执行程序，它会把setInterval的回调函数放在队列中，等浏览器窗口再次打开时，一瞬间全部执行

所以，至于这么问题，一般认为的最佳方案是：用setTimeout模拟setInterval或者特殊场合直接用requestAnimationFrame

# Promise时代的microtask与macrotask

在es6盛行的现在，可以看下这题：

console.log('script start');

setTimeout(()=>{
    console.log('setTimeout')
},0);

Promise.resolve()
.then(()=>console.log('promise1'))
.then(()=>console.log('promise2'))

console.log('script end')

//执行结果：
script start
script end
promise1
promise2
setTimeout

因为promise有一个新的概念microtask.或者可以说JS中分为两种任务：macrotask和microtask; 理解如下：

  • macrotask(又叫宏任务),主代码块，setTimeout,setInterval等（可以看到，事件队列中的每一个事件都是一个macrotask）
  • 可以理解是每次执行的代码就是一个宏任务（包括每次从事件队列中获取一个事件回调并放到执行栈中执行）
  • 第一个macrotask会从头到尾将这个任务执行完毕，不会执行其它
  • 浏览器为了能够使得JS内部macrotask与DOM任务能够有序的执行，会在一个macrotask执行结束后，在下一个macrotask执行开始前，对页面进行重新渲染（task->渲染->task->...）
  • microtask（又叫微任务），Promise,process.nextTick等。
  • 可以理解是在当前macrotask执行结束后立即执行的任务
  • 也就是说在当前macrotask任务后，下一个macrotask之前，在渲染之前
  • 所以它的响应速度相比setTimeout(setTimeout是macrotask)会更快因为无需等待渲染
  • 也就是说，在某一个macrotask执行完成后，就会将在它执行期间产生的所有microtask都执行完毕（在渲染前）

注意：在Node环境下，process.nextTick的优先级高于promise.也就是：在宏任务结束后会先执行微任务队列中的nextTick部分，然后才会执行微任务中的promise部分。

另外，setImmediate则是规定：在下一次Event Loop（宏任务）时触发（所以它是属于优先级较高的宏任务），（Node.js文档中称，setImmediate指定的回调函数，总是排在setTimeout前面），所以setImmediate如果嵌套的话，是需要经过多个Loop才能完成的，而不会像process.nextTick一样没完没了。

可以理解：

  • macrotask中的事件都是放在一个事件队列中的，而这个队列由事件触发线程维护.
  • microtask中的所有微任务都是添加到微任务队列中，等待当前macrotask执行完后执行，而这个队列由JS引擎线程维护。

所以：

  • 执行一个宏任务（栈中没有就从事件队列中获取）
  • 执行过程中如果遇到微任务，就将它添加到微任务的任务队列中
  • 宏任务执行完毕后，立即执行当前微任务队列中的所有微任务（依次执行）
  • 当前宏任务执行完毕，开始检查渲染，然后GUI线程接管渲染
  • 渲染完毕后，JS线程继续接管，开始下一个宏任务（从事件队列中获取）

new Promise里的函数是直接执行的算做主程序里，而且.then后面的才会放到微任务中。

另外，请注意下Promise的polyfill与官方版本的区别：

官方版本中，是标准的microtask形式 polyfill，一般都是通过setTimeout模拟的，所以是macrotask形式 请特别注意这两点区别

注意，有一些浏览器执行结果不一样（因为它们可能把microtask当成macrotask来执行了），但是为了简单，这里不描述一些不标准的浏览器下的场景（但记住，有些浏览器可能并不标准）

Mutation Observer可以用来实现microtask（它属于microtask，优先级小于Promise，一般是Promise不支持时才会这样做）

它是HTML5中的新特性，作用是：监听一个DOM变动，当DOM对象树发生任何变动时，Mutation Observer会得到通知

像以前的Vue源码中就是利用它来模拟nextTick的，具体原理是，创建一个TextNode并监听内容变化，然后要nextTick的时候去改一下这个节点的文本内容，如下：（Vue的源码，未修改）

var counter=1
var observer=newMutationObserver(nextTickHandler)
var textNode=document.createTextNode(String(counter))
observer.observe(textNode,{characterData:true})
timerFunc=()=>{
    counter=(counter+1)%2
    textNode.data=String(counter)
}

不过，现在的Vue（2.5+）的nextTick实现移除了Mutation Observer的方式（据说是兼容性原因），取而代之的是使用MessageChannel（当然，默认情况仍然是Promise，不支持才兼容的）。

MessageChannel属于宏任务，优先级是：setImmediate->MessageChannel->setTimeout，所以Vue（2.5+）内部的nextTick与2.4及之前的实现是不一样的，需要注意下。

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Last Updated: 4/11/2024, 12:16:12 PM

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