事件循环

Oct 17 · 20min

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

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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。

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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。

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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（本节课重点讲解的进程）

    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

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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

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  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 —— setTimeout、setInterval
  • 网络通信完成后需要执行的任务 – XHR、Fetch
  • 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」

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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

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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

<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？

当点击按钮，点击操作放到消息队列，点击操作执行完毕之后产生一个fn()。fn为js代码，放到渲染主线程执行，执行fn产生h1.textContent = '袁老师很帅！'和delay(3000)，前者执行完毕后产生一个浏览器绘制任务（修改页面文本显示），将会放到消息队列执行，后者为js代码将在渲染主线程继续执行。因此会先阻塞3s等待主线程执行完毕之后再去消息队列获取绘制任务并执行。

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<见具体演示>

任务有优先级吗？

任务没有优先级，在消息队列中先进先出

但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：

  • 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」
  • 微队列：用户存放需要最快执行的任务，优先级「最高」

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

例如：

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

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

队列优先级：

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
  <head>
    <meta charset="UTF-8" />
    <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge" />
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0" />
    <title>Document</title>
  </head>
  <body>
    <button id="begin">开始</button>
    <button id="interaction">添加交互任务</button>
    <script>
      // 死循环指定的时间
      function delay(duration) {
        var start = Date.now();
        while (Date.now() - start < duration) {}
      }

      function addDelay() {
        console.log('添加延时队列');
        setTimeout(() => {
          console.log('延时队列执行');
        }, 100);
      }

      function addInteraction() {
        console.log('添加交互队列');
        interaction.onclick = function () {
          console.log('交互队列执行');
        };
        delay(2000);
      }

      begin.onclick = function () {
        addDelay();
        addInteraction();
        console.log('===========');
      };
    </script>
  </body>
</html>

点击开始->点击添加交互任务

输出结果：

添加延时队列
添加交互队列
===========
交互队列执行
延时队列执行

点击开始按钮，再马上点击添加交互任务按钮，begin的回调函数fn放到交互队列，主线程执行fn，fn的执行引起addDelay的执行，addDelay内部的setTimeout的回调函数fn1会放到延时队列，addDelay执行完毕之后执行addInteraction，addInteraction内部的执行会给interaction绑定事件，并阻塞2s delay(2000)，由于是马上点击了添加交互任务按钮，此时会把interaction的回调函数放到交互队列，由于执行优先级延时队列<交互队列，主线程会先执行交互队列里的任务，再执行延时队列里的任务。因此会先输出交互队列执行再输出延时队列执行

总结：

主线程开始执行 begin.onclick。

  • 调用 setTimeout，一个“定时器任务” fn1 在 100ms 后将被放入定时器任务队列（延时队列）。
  • 主线程被 delay(2000) 阻塞。

在主线程阻塞期间：

  • 你点击了“添加交互任务”按钮。浏览器接收到这个事件，并将一个“交互任务” interaction.onclick 放入用户交互任务队列（交互队列）。
  • 100ms 到了，fn1 被放入定时器任务队列（延时队列）。

主线程阻塞结束（2秒后）。

  • begin.onclick 执行完毕，调用栈清空。

事件循环开始工作。

  • 它检查所有的任务队列，发现“用户交互任务队列”里有一个任务 (interaction.onclick)，“定时器任务队列”里也有一个任务 (fn1)。
  • 根据浏览器优化策略，为了优先响应用户操作，它选择从“用户交互任务队列”中取出任务。
  • 执行 interaction.onclick，输出 "交互队列执行"。

上一个任务执行完毕，事件循环再次工作。

  • 它再次检查所有任务队列，现在只有“定时器任务队列（延时队列）”里有任务。
  • 它取出 fn1 并执行。
  • 输出 "延时队列执行"。

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