荣耀头条

事件循环

2023-10-14 17:50 由 feixianxing 发表于 #前端开发

事件循环与浏览器有关，需要先了解其进程模型。

浏览器的进程模型

进程

程序运行需要其专属的内存空间，用于存储变量、执行函数等操作，可以将这块内存空间简单地理解为进程。

每个应用至少有一个进程，进程之间相互独立，即使要通信，也需要双方同意。

线程

有了进程后，就可以运行程序的代码了，由线程运行代码。

一个进程至少有一个线程，在进程开启后会自动创建一个线程来执行代码，称为主线程。

如果主线程结束了，那么进程就结束了。

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。

浏览器的进程和线程

浏览器是一个多进程多线程的应用程序。

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。

现代浏览器已经非常复杂了，复杂程度在向操作系统靠近。

启动chrome浏览器，打开其任务管理器：

可以发现尽管没有访问任何网页，也有一些进程是自动启动的。

打开一个新的标签页，这里打开了百度，可以发现不同的标签页属于不同的进程。

其中，最主要的进程有：

  1. 浏览器进程

    浏览器进程是最先启动的进程，其它进程由它启动。

    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。

    这里的界面显示不是指网页的内容渲染，而是指浏览器的界面，比如浏览器的头部：

    用户交互是指用户在浏览器上的点击、键盘、滚轮等操作，浏览器需要监听这些用户交互操作。

    子进程管理包含网络进程、渲染进程等等。

  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

    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。

    这种模式可能会在以后的版本被替换掉，因为每个标签页都开启一个新渲染进程会导致chrome成为“内存杀手”。——2023.10

    Chromium Docs - Process Model and Site Isolation (googlesource.com)

    👆这个文档提到了，以后可能会发展成“一个站点对应一个进程”。

    例如：用户在使用淘宝的时候，首先打开了淘宝首页，然后搜索商品进入了商品搜索页，点击商品进入商品详情页，尽管有三个标签页，但是都是同一站点，只对应一个进程。

    当然，这是以后的发展规划，了解即可。

关于浏览器的进程模型就介绍到这里，本文主要是写事件循环，而事件循环就发生在渲染主线程中。

渲染主线程

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：比如解析标记语言的语法。
  • 解析CSS：比如解析样式表的语法。
  • 计算样式：比如将em，%等单位换算成px，以及重复的属性如何考虑其优先级等等。
  • 布局：每个元素的宽高、位置，都需要计算，统称为几何信息。
  • 处理图层：与z-index有关，也和元素的内容与其background的绘制有关。
  • 每秒把页面绘制60次：FPS
  • 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
  • ......

为什么渲染进程不适用多个线程来处理这些事情？

答：

浏览器渲染进程通常是单线程的，这是因为多线程处理可能会引发很多问题。以下是一些可能的问题：

竞态条件：多线程处理会导致访问共享内存的竞争条件，可能导致数据不一致和死锁等问题。
同步问题：多线程需要进行同步，避免数据竞争和死锁，这会增加代码的复杂度和开销。
安全问题：多线程可能会存在安全漏洞，如数据泄露、内存溢出等问题。
性能问题：多线程处理可能会导致过多的上下文切换和内存消耗，从而降低程序的性能和稳定性。

相比之下，单线程处理有以下优点：

简单易用：单线程的处理方式更加简单易用，开发人员不需要考虑多线程处理中的竞态条件、同步问题和安全问题。

可靠稳定：单线程处理避免了多线程处理中的死锁和资源争用等问题，从而提高了程序的可靠性和稳定性。

高效节省：单线程处理可以避免多线程处理中的上下文切换和内存消耗等问题，从而提高了程序的性能和节省了系统资源。

既然主线程非常繁忙，那么首先需要解决的问题就是：应该如何调度任务？

比如：

  • 正在执行一个JS函数，执行到一半的时候用户点击了按钮，是否应该立即去执行点击事件的处理函数？
  • 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，是否应该立即去执行其回调？
  • 当“用户点击事件”，与“计时器到达时间”同时发生，应该先处理哪个任务？
  • ......

渲染主线程的处理方式是：排队（消息队列 Message queue）。

  1. 在最开始的时候，渲染主线程会进入一个无限循环；

    可以在github上找到chromium的源码，在消息队列的相关实现代码中可以看到一个无限循环：

    👉message_dump_default.cc

chromium和chrome的关系：

  • chrome是基于chromium的、功能更丰富的浏览器；
  • chrome不开源，chromium开源。
  1. 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。
  1. 其它所有线程（包括其它进程的线程）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地、持续地进行下去了。

整个过程，被称之为事件循环（消息循环）。

  • 在w3c的标准中被称为：event loop事件循环
  • 在google的标准中被称为：message loop消息循环

回过头来看上文提到的一个问题：

正在执行一个JS函数，执行到一半的时候用户点击了按钮，是否应该立即去执行点击事件的处理函数？

答：此时应该将点击事件的处理函数推到消息队列中，不影响JS函数的执行。

相关问题

异步是什么？

代码在执行过程中，会遇到一些无法理解处理的任务，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到达，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。

如上图，在主线程中使用setTimeout(fn, 3000)将回调函数与计时时长告知计时线程，计时线程开始计时等待。

此时，如果主线程跟随一起等待，则是同步，唯一的好处是时间线同步，但是好处远远小于坏处，非常浪费时间。

计时线程的底层实现其实是调用了操作系统提供的接口。其实现十分复杂。

渲染主线程承担着极其重要的工作，无论如何都不能阻塞。

如果因为上述三种任务阻塞了主线程，那么消息队列中可能存在着渲染任务无法执行，也可能用户触发了点击事件，但是没有被执行，从用户角度来说就是“页面卡死了”。

因此，浏览器选择了异步来解决这个问题。

如上图，主线程在调用了setTimeout之后，其实只是起到了一个预约的作用，最后是由计时线程将任务交给消息队列。

使用异步的方式，渲染主线程不会阻塞，不断地拿取消息队列里的任务去执行，遇到计时器、网络请求、事件监听，则交给其它线程，渲染主线程从消息队列中获取下一个任务继续工作。

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，加入到消息队列的未尾排队，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？

首先看示例代码：

btn.onclick = function(){
    // 修改DOM节点的内容
    p.innerText = "hello world";
    // 模拟很耗时长的JS代码，这里等了3秒
    start = Date.now()
    while(Date.now()-start<3000){}
}
  • 错误的理解：点击按钮之后，先修改DOM节点文本，再等待3秒；
  • 实际现象：点击按钮之后，会先阻塞等待3秒，然后才能看到DOM节点的文本更新。

具体的流程如下：

  1. 首先，主线程解析全局JS代码，解析到这一段代码的时候，检测到是事件绑定，将函数转交给交互线程。
  2. 交互线程监听按钮点击，当监听到按钮被点击之后，将函数包装成任务推送到消息队列尾部。
  3. 当其它任务被渲染主线程执行完成之后，该任务被主线程获取，执行内部的代码。
  4. 修改DOM节点的操作，属于绘制任务，会被包装成任务推送到消息队列尾部。
  5. 与此同时，上述代码的这个任务还在执行中，while语句阻塞3秒。
  6. 3秒之后，该任务执行完成。渲染主线程继续从消息队列中获取任务，当获取到绘制任务并执行的时候，界面才会更新。

简单的理解：

  • 在浏览器上，JS解析和页面渲染都在渲染主线程上被执行，同一时间只能完成一个任务。

  • 在JS中生成的渲染任务，需要JS执行完成之后才会被更新到页面上。

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相同的队列（即一个队列可以用于存放多种类型的任务）。

    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。不同浏览器或者同一浏览器的不同版本的做法可能不同。

    在chromium的源码中，我们可以找到👉task_type.h，其中声明了许多任务类型：

  • 浏览器必须准备好一个微队列(microtask queue)，微队列中的任务优先所有其它任务执行。

    👉HTML Standard (whatwg.org)

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)

浏览器还有很多其它的队列，与前端的开发关系不大。

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未尾即可。
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相同的队列。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准计时吗？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。

补充：

  1. setTimeout和setInterval的最终实现调用的操作系统的API，不同的操作系统的实现不同。

  2. setTimeout嵌套层级（5层）与4毫秒的知识点：

    在chromium关于计时器的源码中可以找到：

    根据w3c的标准，当嵌套层级超过五层，定时器的时间如果低于4ms，会被提升至4ms。

例题

可以在草稿纸上写下渲染主线程、微队列、延时队列，并模拟任务在其中的变化。

例题1：下述代码的输出顺序是？

function a(){
    console.log(1);
    Promise.resolve().then(function(){
        console.log(2);
    });
}

setTimeout(function(){
    console.log(3);
    Promise.resolve().then(a);
}, 0);

Promise.resolve().then(function(){
	console.log(4);   
});

console.log(5);

例题 1 答案：

5
4
3
1
2

例题2：下述代码的输出顺序是？

function a(){
	console.log(1);
    Promise.resolve().then(function{
    	console.log(2);                       
    });
}

setTimeout(function(){
    console.log(3);
}, 0);

Promise.resolve().then(a);

console.log(5);

例题 2 答案：

5
1
2
3

总结

  • 单线程是异步产生的原因；
  • 事件循环是异步的实现方式。

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