事件循环与异步

事件循环与异步

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1. 前言

简介： 关键词：多进程、单线程、渲染、事件循环、消息队列、异步、微任务
你是不是有过以下困惑：

  • 我执行了一段 js，页面就卡了挺久才有响应
  • 多个方法互相嵌套，但是最终还是蒙对了
  • 我用 setTimeout(callback, 1000) 给代码加了 1s 的延时，1 秒里发生了很多事情，然后功能正常了
  • 不是很明白为什么浏览器有时候会卡死
  • 我用 Promise，async/await 顺序执行了异步代码
  • js 为什么要设计成单线程，不适用多个线程来处理这些事情
  • 事件循环好像知道那么点，但是就是讲不出来为啥
  • ……

本次就把这些问题给一一解答，当然这些东西想完弄清楚，肯定离不开进程，线程，浏览器内核，渲染，事件循环，消息队列等，我们就一个一个的来看，它们到底是怎么工作的。

2. 浏览器进程

浏览器从关闭到启动，然后新开一个页面至少需要：1 个浏览器进程，1 个 GPU 进程，1 个网络进程，和 1 个渲染进程，一共 4 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

后续如果再打开新的标签页：浏览器进程，GPU 进程，网络进程是共享的，不会重新启动，然后默认情况下会为每一个标签页配置一个渲染进程，但是也有例外，比如从 A 页面里面打开一个新的页面 B 页面，而 A 页面和 B 页面又属于同一站点的话，A 和 B 就共用一个渲染进程，其他情况就为 B 创建一个新的渲染进程

所以，最新的 Chrome 浏览器包括：1 个浏览器主进程，1 个 GPU 进程，1 个网络进程，多个渲染进程，和多个插件进程

  • 浏览器进程：负责控制浏览器除标签页外的界面，包括地址栏、书签、前进后退按钮等，以及负责与其他进程的协调工作，同时提供存储功能
  • GPU 进程：负责整个浏览器界面的渲染。Chrome 刚开始发布的时候是没有 GPU 进程的，而使用 GPU 的初衷是为了实现 3D CSS 效果，只是后面网页、Chrome 的 UI 界面都用 GPU 来绘制，这使 GPU 成为浏览器普遍的需求，最后 Chrome 在多进程架构上也引入了 GPU 进程
  • 网络进程：负责发起和接受网络请求，以前是作为模块运行在浏览器进程一时在面的，后面才独立出来，成为一个单独的进程
  • 插件进程：主要是负责插件的运行，因为插件可能崩溃，所以需要通过插件进程来隔离，以保证插件崩溃也不会对浏览器和页面造成影响
  • 渲染进程：负责控制显示 tab 标签页内的所有内容，核心任务是将 HTML、CSS、JS 转为用户可以与之交互的网页，排版引擎 Blink 和 JS 引擎 V8 都是运行在该进程中，默认情况下 Chrome 会为每个 Tab 标签页创建一个渲染进程

我们平时看到的浏览器呈现出页面过程中，大部分工作都是在渲染进程中完成，所以我们来看一下渲染进程中的线程

3. 渲染进程中的线程

  • GUI 渲染线程：负责渲染页面，解析 HTML、CSS、构建 DOM 树、CSSOM 树、渲染树、布局树、绘制、分层、栅格化、合成，所以重绘、重排、合成都在该线程中执行。

GUI 线程和 JS 引擎线程是冲突的，当 GUI 线程执行时，js 引擎线程会被挂起，当 js 引擎线程执行任务时，有需要 GUI 线程执行的任务，会被保存到一个队列中，等待 js 引擎执行完执行。

  • 主线程（JS 引擎线程）：一个 tab 页中只有一个 JS 引擎线程 (单线程)，负责解析和执行 JS。只要消息队列不为空，就会一直从中取任务执行。它与 GUI 渲染进程不能同时执行，只能一个一个来，所以当一个 js 任务执行过长时，会阻塞页面的渲染，造成页面的卡顿。
  • 计时器线程：指 setInterval 和 setTimeout，因为 JS 引擎是单线程的，所以如果处于阻塞状态，那么计时器就会不准了，所以需要单独的线程来负责计时器工作
  • 异步 http 请求线程：XMLHttpRequest 连接后浏览器开的一个线程，比如请求有回调函数，异步线程就会将回调函数加入事件队列，等待 JS 引擎空闲执行
  • 事件触发线程：主要用来控制事件循环，比如 JS 执行遇到鼠标事件、计时器、AJAX 异步请求等，就会将对应任务添加到事件触发线程中，在对应事件符合触发条件触发时，会将任务从事件触发线程中取出，放到消息队列的队尾，等 JS 引擎处理。

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4. 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？
JavaScript 的单线程，与它的用途有关。作为浏览器脚本语言，JavaScript 的主要用途是与用户互动，以及操作 DOM。这决定了它只能是单线程，否则会带来很复杂的同步问题。比如，假定 JavaScript 同时有两个线程，一个线程在某个 DOM 节点上添加内容，另一个线程删除了这个节点，这时浏览器应该以哪个线程为准？
HTML5 提出 Web Worker 标准，允许 JavaScript 脚本创建多个线程，但是子线程完全受主线程控制，且不得操作 DOM。所以，这个新标准并没有改变 JavaScript 单线程的本质。

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，事件触发线程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）

5. 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

6. 消息队列中的任务类型

参考资料：【Chromium 的官方源码】

内部消息类型：

  1. 输入事件（鼠标滚动、点击、移动）
  2. 微任务
  3. 文件读写
  4. WebSocket
  5. JavaScript 定时器等等

与页面相关的事件：

  1. JavaScript 执行
  2. 解析 DOM
  3. 样式计算
  4. 布局计算
  5. CSS 动画等

7. Js 为何会阻碍渲染？

先看代码

<p>Hello World</p>
<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 = "你好，世界！";
    delay(3000);
  };
</script>

点击按钮后，会发生什么呢？

<见具体代码演示>

8. 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。
    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微队列，微队列中的任务优先所有其他任务执行
    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

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：

  • Promise 的 then 回调、
  • Mutation Observer API
  • queueMicrotask()
  • async await
  • process.nextTick（node 中）

例如：

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

queueMicrotask(() => {
  /* 微任务中将运行的代码 */
});

9. 微队列，DOM 渲染，其他任务队列的执行顺序

const main = document.getElementById("main");
const frg = document.createDocumentFragment();

for (let i = 0; i < 10; i++) {
  const li = document.createElement("li");
  li.innerHTML = i;
  frg.appendChild(li);
}
main.appendChild(frg);

new Promise((resolve) => {
  resolve();
}).then(() => {
  console.log("微任务已经执行");
  alert("dom 还未插入");
});

setTimeout(() => {
  console.log("宏任务执行");
  alert("dom 已经插入");
});

微任务——> Dom 渲染——> 其他任务（宏任务）

10. 怎么证明

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