浏览器相关细节题（3）

说一下你对浏览器引擎的理解？

• 理解

  答案

  浏览器引擎分为两部分，分别是“渲染引擎”和“JS引擎”。最开始的时候，渲染引擎和 JS 引擎并没有明确的区分，后来 JS 引擎越来越独立，浏览器引擎就倾向于仅指渲染引擎了。

  • 渲染引擎。

    负责取得页面的内容（HTML、XML、图片等）、整理信息（比如引入 CSS）以及计算页面的显示方式，最后输出到显示器或打印机。

  • JS 引擎。

    负责解析 JavaScript 代码来实现页面的动态效果。

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。

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整个渲染流程分为多个阶段，分别是： HTML 解析、样式计算、布局、分层、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。

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渲染的第一步是解析 HTML。

解析过程中遇到 CSS 解析 CSS，遇到 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，率先下载 HTML 中的外部 CSS 文件和 外部的 JS 文件。

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。

• defer属性用于异步加载外部JavaScript文件，当异步加载完成后，该外部JavaScript文件不会立即执行，而是等到整个HTML文档加载完成才会执行。
• async属性用于异步加载外部JavaScript文件，当异步加载完成后，该外部JavaScript文件会立即执行，即使整个HTML文档还没有加载完成。

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。

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渲染的下一步是样式计算。

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。

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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；又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。

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下一步是分层

主线程会使用一套复杂的策略对整个布局树中进行分层。

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。

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再下一步是绘制

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。

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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。

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。

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分块完成后，进入光栅化阶段。

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

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最后一个阶段就是画了

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，提交给 GPU 硬件，完成最终的屏幕成像。

什么是 reflow？

• 概念

  答案

  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，改动属性造成的 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，最终决定获取某些属性立即 reflow —— 这些属性包括但不限于：offsetTop、offsetLeft、offsetWidth、offsetHeight、scrollTop、scrollLeft、scrollWidth、scrollHeight、clientTop、clientLeft、clientWidth、clientHeight、getComputedStyle() 等。这就导致了“布局抖动”。

  为了避免布局抖动，一种常见的最佳实践是尽量避免在修改 DOM 或样式的同时读取这些属性，而是先读取所有需要的属性，然后再进行修改。

什么是 repaint？

• 概念

  答案

  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？

• 概念

  答案

  因为 transform 既不会影响布局也不会影响绘制指令，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。

进程和线程的区别

• 进程

  答案

  进程是一个正在执行的程序的实例。它拥有独立的内存空间、执行环境和系统资源，可以被视为一个独立的个体。每个进程都有自己的地址空间，包括代码、数据和堆栈等。进程之间是相互独立的，它们不能直接访问彼此的内存空间，通信必须通过特定的机制（如进程间通信）。

• 线程

  答案

  线程是进程内的执行单元。一个进程可以包含多个线程，它们共享同一个进程的地址空间和系统资源。线程之间可以直接访问彼此的内存空间，共享数据和资源。线程的创建、销毁和切换开销较小，因此多线程可以提高程序的并发性和响应性。

• 区别：

  答案

  1. 资源开销：进程拥有独立的内存空间和系统资源，创建和销毁进程的开销较大；而线程共享同一个进程的资源，创建和销毁线程的开销较小。
  2. 通信和同步：进程之间通信需要特定的机制，如管道、消息队列等；线程之间可以直接访问共享内存，通信更方便。线程之间共享数据时需要考虑同步问题，以避免竞态条件和数据不一致。
  3. 执行能力：进程是独立的执行实体，可以利用多核处理器的并行性；线程是进程内的执行单元，利用多线程可以实现并发执行，但受限于单个进程的执行能力。

渲染主线程是如何工作的？(同时回答了事件循环)

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？

渲染主线程想出了一个绝妙的主意来处理这个问题：排队

• 事件循环

  答案

  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
  4. 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。

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）

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」

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

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：

• 概念

  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。

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」

微任务

一个需要异步执行的函数，执行时机是在主函数执行结束之后、当前宏任务结束之前

常见的微任务有：

• 概念

  答案

  • Promise.then
  • MutaionObserver
  • Object.observe（已废弃；Proxy 对象替代）
  • process.nextTick（Node.js）

宏任务

宏任务的时间粒度比较大，执行的时间间隔是不能精确控制的，对一些高实时性的需求就不太符合

常见的宏任务有：

• 概念

  答案

  • script (可以理解为外层同步代码)
  • setTimeout/setInterval
  • UI rendering/UI事件
  • postMessage、MessageChannel
  • setImmediate、I/O（Node.js）

执行机制是：

• 执行一个宏任务，如果遇到微任务就将它放到微任务的事件队列中

• 当前宏任务执行完成后，会查看微任务的事件队列，然后将里面的所有微任务依次执行完

  await 会阻塞下面的代码（即加入微任务队列）

流程分析

async function async1() {
    console.log('async1 start')
    await async2()
    console.log('async1 end')
}
async function async2() {
    console.log('async2')
}
console.log('script start')
setTimeout(function () {
    console.log('settimeout')
})
async1()
new Promise(function (resolve) {
    console.log('promise1')
    resolve()
}).then(function () {
    console.log('promise2')
})
console.log('script end')

分析过程：

• 概念：

  答案

  1. 执行整段代码，遇到 console.log('script start') 直接打印结果，输出 script start
  2. 遇到定时器了，它是宏任务，先放着不执行
  3. 遇到 async1()，执行 async1 函数，先打印 async1 start，下面遇到await怎么办？先执行 async2，打印 async2，然后阻塞下面代码（即加入微任务列表），跳出去执行同步代码
  4. 跳到 new Promise 这里，直接执行，打印 promise1，下面遇到 .then()，它是微任务，放到微任务列表等待执行
  5. 最后一行直接打印 script end，现在同步代码执行完了，开始执行微任务，即 await下面的代码，打印 async1 end
  6. 继续执行下一个微任务，即执行 then 的回调，打印 promise2
  7. 上一个宏任务所有事都做完了，开始下一个宏任务，就是定时器，打印 settimeout
  8. 所以最后的结果是：script start、async1 start、async2、promise1、script end、async1 end、promise2、settimeout

面试题：JS 中的计时器能做到精确计时吗？为什么？

参考答案：

• 概念

  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