事件循环和浏览器渲染原理

作者：user 发布日期： 浏览量：190

事件循环

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。
  • 每个应用至少有一个进程，进程之间相互独立，即使要通宵，也需要双方同意。

何为线程？

  • 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。

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。
  • 可以在浏览器的任务管理器中查看当前的所有进程。浏览器进程查看：设置 -> 更多工具 -> 浏览器任务管理器。其中，一个标签页是一个渲染进程。
    浏览器进程
    浏览器任务管理器
    一个标签一个进程

其中，最主要的进程有：
- 浏览器进程：主要负责界面显示（标签页样子、后退前进按钮、导航栏、插件扩展等等）、用户交互（用户点击界面上的标签、滚动条等等）、子进程管理（开启网络进程、渲染进程等等）等。浏览器进程内部会启动多个线程处理不同的任务。
- 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。
- 渲染进程：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。

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
- 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
- ......

为什么渲染进程不使用多个线程来处理上述事情？

渲染主线程处理多任务时，如何调度任务？

  • 排队。
    任务调度
  • 在最开始的时候，渲染主线程会进入一个无线循环
  • 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，执行完后进入下一次循环；如果没有，则进入休眠状态。
  • 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去任务。
  • 上述整个过程被称为事件循环（或消息循环）。

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
- 用户操作后需要完成的任务 – addEventListener
如果让渲染主线程等待这些任务的执行时机达到，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。
浏览器异步
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
消息队列
使用异步的方式，渲染主线程永不阻塞

JS为何会阻碍渲染？

<body>
    <h1>English</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 = '中文';
            delay(3000);
        }
    </script>
</body>
  • 流程：渲染主线程执行全局JS -> 交互线程监听按钮点击 -> 函数添加到任务队列 -> 渲染主线程修改元素的文本 -> 执行死循环函数 -> 渲染主线程在浏览器进行绘制 -> 在浏览器可见修改
  • JS 的执行会影响页面的绘制
  • JS 的执行和页面渲染都在渲染主线程上执行

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：
- 每个任务都有一个任务类型，同一个类型的任务必须在一个队列，不同类型的任务可以分属于不同的队列，也可以多种类型的任务在同一个队列。
在一次事件循环中，浏览器可以根据实际情况从不同的队列中取出任务执行。
- 浏览器必须准备好一个队列，微队列中的任务优先所有其它任务执行https://html.spec.whatwg.org/multipage/webappapis.html#perform-a-microtask-checkpoint

随着浏览器的复杂度急剧提升，W3C 不再使用宏队列的说法。
原来只有微队列和宏队列，微队列优先级最高。

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
- 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
- 延时队列：用于存放计时器到达后的回调任务，优先级中

主要的队列

添加任务到微队列的主要方式是使用 Promise、MutationObserver
例如：
// 立即把一个函数添加到微队列
Promise.resolve().then(函数)

队列优先级

浏览器渲染原理

浏览器是如何渲染页面的？

当浏览器的网络线程收到 HTML 文档后，会产生一个渲染任务，并将其传递给渲染主线程的消息队列。在事件循环机制的作用下，渲染主线程取出消息队列中的渲染任务，开启渲染流程。
render_img_1.png
整个渲染流程分为多个阶段，分别是：HTML 解析、样式计算、布局、绘制、分块、光栅化、画。
每个阶段都有明确的输入输出，上一个阶段的输出会成为下一个阶段的输入。这样，整个渲染流程就形成了一套组织严密的生产流水线。
render_img_2.png

1、解析 HTML - Parse HTML：
解析过程中遇到 CSS 解析 CSS，JS 执行 JS。为了提高解析效率，浏览器在开始解析前，会启动一个预解析的线程，事先下载 HTML 中的外部 CSS 文件和外部的 JS 文件。
render_img_3.png

如果主线程解析到 link 位置，此时外部的 CSS 文件还没有下载解析好，主线程不会等待，继续解析后续的 HTML。这是因为下载和解析 CSS 的工作是在预解析线程中进行的。这就是 CSS 不会阻塞 HTML 解析的根本原因。

如果主线程解析到 script 位置，会停止解析 HTML，转而等待 JS 文件下载好，并将全局代码解析执行完成后，才能继续解析 HTML。这是因为 JS 代码的执行过程可能会修改当前的 DOM 树，所以 DOM 树的生成必须暂停。这就是 JS 会阻塞 HTML 解析的根本原因。

第一步完成后，会得到 DOM 树和 CSSOM 树，浏览器的默认样式、内部样式、外部样式、行内样式均会包含在 CSSOM 树中。

2、样式计算 - Recalculate Style：
主线程会遍历得到的 DOM 树，依次为树中的每个节点计算出它最终的样式，称之为 Computed Style。

在这一过程中，很多预设值会变成绝对值，比如 red 会变成 rgb(255, 0, 0)；相对单位会变成绝对单位，比如 em 会变成 px。

这一步完成后，会得到一棵带有样式的 DOM 树。
render_img_4.png

3、布局 - Layout：
接下来是布局，布局完成后会得到布局树。

布局阶段会依次遍历 DOM 树的每一个节点，计算每个节点的几何信息。例如节点的宽高、相对包含块的位置。

大部分的时候，DOM 树和布局树并非一一对应。
比如 display:none; 的节点没有几何信息，因此不会生成到布局树；有比如使用了伪元素选择器，虽然 DOM 树中不存在这些伪元素节点，但它们拥有几何信息，所以会生成到布局树中。还有匿名行盒、匿名块盒等等都会导致 DOM 树和布局树无法一一对应。
render_img_5.png

4、分层 - Layer：
主线程会使用一套复杂的策略对整个布局树进行分层。

分层的好处在于，将来某一个层改变后，仅会对该层进行后续处理，从而提升效率。

滚动条、堆叠上下文、transform、opacity 等样式都会或多或少的影响分层结果，也可以通过 will-change 属性更大程度的影响分层结果。
render_img_6.png

5、绘制 - Paint：
主线程会为每个层单独产生绘制指令集，用于描述这一层的内容该如何画出来。
render_img_7.png
完成绘制后，主线程将每个图层的绘制信息提交给合成线程，剩余工作将由合成线程完成。
render_img_8.png
合成线程首先对每个图层进行分块，将其划分为更多的小区域。它会从线程池中拿取多个线程来完成分块工作。
render_img_9.png
render_img_10.png

6、光栅化 - Raster：
分块完成后，进入光栅化阶段。光栅化是将每个块变成位图。
合成线程会将块信息交给 GPU 进程，以极高的速度完成光栅化。
GPU 进程会开启多个线程来完成光栅化，并且优先处理靠近视口区域的块。

光栅化的结果，就是一块一块的位图。
render_img_11.png

7、画 - Draw：
合成线程拿到每个层、每个块的位图后，生成一个个 指引（quad） 信息。
指引会标识出每个位图应该画到屏幕的哪个位置，以及会考虑到旋转、缩放等变形。
变形发生在合成线程，与渲染主线程无关，这就是 transform 效率高的本质原因。
合成线程会把 quad 提交给 GPU 进程，由 GPU 进程产生系统调用，交给 GPU 硬件，完成最终的屏幕成像。

render_img_12.png
完整流程

面试题

如何理解 JS 的异步？

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。渲染主线程承担着诸多的工作，渲染页面、执行 JS 等都在其中运行。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浪费时间，另一方面导致页面无法及时更新，给用户造成卡死的现象。
所以浏览器采用异步的方式来避免。具体的做法是当某些任务发生时，比如计时器、网络请求、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，转而执行后续任务，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。

阐述一下 JS 的事件循环？

事件循环又叫消息循环，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一个任务执行，而其它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的分为微队列和宏队列，这种说法目前已经无法满足复杂的浏览器环境，取而代之的是一种更加灵活的处理方式。
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。

JS 中的计时器能够做到精确计时吗？为什么？

不行。因为：
1、计算机硬件没有原子钟，而是使用CPU寄存器实现计时，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，这样在时间时间少于 4 毫秒时又带来了偏差。
4、受事件循环的影响，计时的回调函数只能在渲染主线程空闲时运行，因此又带来偏差。

什么是回流 reflow？

reflow 的本质就是重新计算 layout 树。

当进行了会影响布局树的操作后，需要重新计算布局树，会引发layout。

为了避免连续的多次操作导致布局树反复计算，浏览器会合并这些操作，当 JS 代码全部完成后再进行统一计算。所以，改动属性造成 reflow 是异步完成的。

也同样因为如此，当 JS 获取布局属性时，就可能造成无法获取到最新的布局信息。浏览器在反复权衡下，最终决定获取属性立即 reflow。

什么是重绘 repaint？

repaint 的本质就是重新根据分层信息计算了绘制指令。

当改动了可见样式后，就需要重新计算，会引发 repaint。

由于元素的布局信息也属于可见样式，所以 reflow 一定会引起 repaint。

为什么 transform 的效率高？

因为 transform 既不会影响布局也不会影响指令，它影响的只是渲染流程的最后一个 draw 阶段。
由于 draw 阶段在合成线程中，所以 transform 的变化几乎不会影响渲染主线程。反之，渲染主线程无论如何忙碌，也不会影响 transform 的变化。

上一篇： React18 入门与进阶
下一篇： 分布式异步任务框架 Celery

搜索

最新文章

热门文章

文章归档