消息队列和事件循环:页面是怎么活起来的

前面我们讲到了每个渲染进程都有一个主线程,并且主线程非常繁忙,既要处理 DOM,又要计算样式,还要处理布局,同时还需要处理 JavaScript 任务以及各种输入事件。要让这么多不同类型的任务在主线程中有条不紊地执行,这就需要一个系统来统筹调度这些任务,这个统筹调度系统就是我们今天要讲的消息队列和事件循环系统。

在写这篇文章之前,我翻阅了大量的资料,却发现没有一篇文章能把消息循环系统给讲清楚的,所以我决定用一篇文章来专门介绍页面的事件循环系统。事件循环非常底层且非常重要,学会它能让你理解页面到底是如何运行的, 所以在本篇文章中,我们会将页面的事件循环给梳理清楚、讲透彻。

为了能让你更加深刻地理解事件循环机制,我们就从最简单的场景来分析,然后带你一步步了解浏览器页面主线程是如何运作的。

需要说明的是,文章中的代码我会采用 C++ 来示范。如果你不熟悉 C++,也没有关系,这里并没有涉及到任何复杂的知识点,只要你了解 JavaScript 或 Python,你就会看懂

使用单线程处理安排好的任务

我们先从最简单的场景讲起,比如有如下一系列的任务:

  • 任务 1:1+2
  • 任务 2:20/5
  • 任务 3:7*8
  • 任务 4:打印出任务 1、任务 2、任务 3 的运算结果

现在要在一个线程中去执行这些任务,通常我们会这样编写代码

void MainThread(){
     int num1 = 1+2; // 任务 1
     int num2 = 20/5; // 任务 2
     int num3 = 7*8; // 任务 3
     print(" 最终计算的值为:%d,%d,%d",num,num2,num3)// 任务 4
  }

在上面的执行代码中,我们把所有任务代码按照顺序写进主线程里,等线程执行时,这些任务会按照顺序在线程中依次被执行;等所有任务执行完成之后,线程会自动退出。可以参考下图来直观地理解下其执行过程:

在线程运行过程中处理新任务

但并不是所有的任务都是在执行之前统一安排好的,大部分情况下,新的任务是在线程运行过程中产生的。比如在线程执行过程中,又接收到了一个新的任务要求计算“10+2”,那上面那种方式就无法处理这种情况了。

要想在线程运行过程中,能接收并执行新的任务,就需要采用事件循环机制。我们可以通过一个 for 循环语句来监听是否有新的任务,如下面的示例代码:

//GetInput
// 等待用户从键盘输入一个数字,并返回该输入的数字
int GetInput(){
    int input_number = 0;
    cout<<" 请输入一个数:";
    cin>>input_number;
    return input_number;
}
 
// 主线程 (Main Thread)
void MainThread(){
     for(;;){
          int first_num = GetInput();
          int second_num = GetInput();
          result_num = first_num + second_num;
          print(" 最终计算的值为:%d",result_num)}
}

相较于第一版的线程,这一版的线程做了两点改进。

  • 第一点引入了循环机制,具体实现方式是在线程语句最后添加了一个for 循环语句,线程会一直循环执行。
  • 第二点是引入了事件,可以在线程运行过程中,等待用户输入的数字,等待过程中线程处于暂停状态,一旦接收到用户输入的信息,那么线程会被激活,然后执行相加运算,最后输出结果。

通过引入事件循环机制,就可以让该线程“活”起来了,我们每次输入两个数字,都会打印出两数字相加的结果,你可以结合下图来参考下这个改进版的线程:

处理其他线程发送过来的任务

上面我们改进了线程的执行方式,引入了事件循环机制,可以让其在执行过程中接受新的任务。不过在第二版的线程模型中,所有的任务都是来自于线程内部的,如果另外一个线程想让主线程执行一个任务,利用第二版的线程模型是无法做到的。

那下面我们就来看看其他线程是如何发送消息给渲染主线程的,具体形式你可以参考下图:

从上图可以看出,渲染主线程会频繁接收到来自于 IO 线程的一些任务,接收到这些任务之后,渲染进程就需要着手处理,比如接收到资源加载完成的消息后,渲染进程就要着手进行 DOM 解析了;接收到鼠标点击的消息后,渲染主线程就要开始执行相应的 JavaScript 脚本来处理该点击事件。

那么如何设计好一个线程模型,能让其能够接收其他线程发送的消息呢?

一个通用模式是使用消息队列。在解释如何实现之前,我们先说说什么是消息队列,可以参考下图:

从图中可以看出,消息队列是一种数据结构,可以存放要执行的任务。它符合队列“先进先出”的特点,也就是说要添加任务的话,添加到队列的尾部;要取出任务的话,从队列头部去取。

有了队列之后,我们就可以继续改造线程模型了,改造方案如下图所示:

从上图可以看出,我们的改造可以分为下面三个步骤:

  • 添加一个消息队列;
  • IO 线程中产生的新任务添加进消息队列尾部;
  • 渲染主线程会循环地从消息队列头部中读取任务,执行任务。

有了这些步骤之后,那么接下来我们就可以按步骤使用代码来实现第三版的线程模型。

首先,构造一个队列。当然,在本篇文章中我们不需要考虑队列实现的细节,只是构造队列的接口:

class TaskQueue{
  public:
  Task takeTask(); // 取出队列头部的一个任务
  void pushTask(Task task); // 添加一个任务到队列尾部
};

接下来,改造主线程,让主线程从队列中读取任务:

TaskQueue task_queue;
void ProcessTask();
void MainThread(){
  for(;;){
    Task task = task_queue.takeTask();
    ProcessTask(task);
  }
}

在上面的代码中,我们添加了一个消息队列的对象,然后在主线程的 for 循环代码块中,从消息队列中读取一个任务,然后执行该任务,主线程就这样一直循环往下执行,因此只要消息队列中有任务,主线程就会去执行。

主线程的代码就这样改造完成了。这样改造后,主线程执行的任务都全部从消息队列中获取。所以如果有其他线程想要发送任务让主线程去执行,只需要将任务添加到该消息队列中就可以了,添加任务的代码如下:

Task clickTask;
task_queue.pushTask(clickTask)

由于是多个线程操作同一个消息队列,所以在添加任务和取出任务时还会加上一个同步锁,这块内容你也要注意下。

处理其他进程发送过来的任务

通过使用消息队列,我们实现了线程之间的消息通信。在 Chrome 中,跨进程之间的任务也是频繁发生的,那么如何处理其他进程发送过来的任务?你可以参考下图:

从图中可以看出,渲染进程专门有一个 IO 线程用来接收其他进程传进来的消息,接收到消息之后,会将这些消息组装成任务发送给渲染主线程,后续的步骤就和前面讲解的“处理其他线程发送的任务”一样了,这里就不再重复了。

消息队列中的任务类型

现在你知道页面主线程是如何接收外部任务的了,那接下来我们再来看看消息队列中的任务类型有哪些。你可以参考下Chromium 的官方源码,这里面包含了很多内部消息类型,如输入事件(鼠标滚动、点击、移动)、微任务、文件读写、WebSocket、JavaScript 定时器等等。

除此之外,消息队列中还包含了很多与页面相关的事件,如 JavaScript 执行、解析 DOM、样式计算、布局计算、CSS 动画等。

以上这些事件都是在主线程中执行的,所以在编写 Web 应用时,你还需要衡量这些事件所占用的时长,并想办法解决单个任务占用主线程过久的问题。

如何安全退出

当页面主线程执行完成之后,又该如何保证页面主线程能够安全退出呢?Chrome 是这样解决的,确定要退出当前页面时,页面主线程会设置一个退出标志的变量,在每次执行完一个任务时,判断是否有设置退出标志。

如果设置了,那么就直接中断当前的所有任务,退出线程,你可以参考下面代码:

TaskQueue task_queue;
void ProcessTask();
bool keep_running = true;
void MainThread(){
  for(;;){
    Task task = task_queue.takeTask();
    ProcessTask(task);
    if(!keep_running) // 如果设置了退出标志,那么直接退出线程循环
        break; 
  }
}

页面使用单线程的缺点

上面讲述的就是页面线程的循环系统是如何工作的,那接下来,我们继续探讨页面线程的一些特征。

通过上面的介绍,你应该清楚了,页面线程所有执行的任务都来自于消息队列。消息队列是“先进先出”的属性,也就是说放入队列中的任务,需要等待前面的任务被执行完,才会被执行。鉴于这个属性,就有如下两个问题需要解决。

第一个问题是如何处理高优先级的任务

比如一个典型的场景是监控 DOM 节点的变化情况(节点的插入、修改、删除等动态变化),然后根据这些变化来处理相应的业务逻辑。一个通用的设计的是,利用 JavaScript 设计一套监听接口,当变化发生时,渲染引擎同步调用这些接口,这是一个典型的观察者模式。

不过这个模式有个问题,因为 DOM 变化非常频繁,如果每次发生变化的时候,都直接调用相应的 JavaScript 接口,那么这个当前的任务执行时间会被拉长,从而导致执行效率的下降。

如果将这些 DOM 变化做成异步的消息事件,添加到消息队列的尾部,那么又会影响到监控的实时性,因为在添加到消息队列的过程中,可能前面就有很多任务在排队了。

这也就是说,如果 DOM 发生变化,采用同步通知的方式,会影响当前任务的执行效率;如果采用异步方式,又会影响到监控的实时性

那该如何权衡效率和实时性呢?

针对这种情况,微任务就应用而生了,下面我们来看看微任务是如何权衡效率和实时性的。

通常我们把消息队列中的任务称为宏任务,每个宏任务中都包含了一个微任务队列,在执行宏任务的过程中,如果 DOM 有变化,那么就会将该变化添加到微任务列表中,这样就不会影响到宏任务的继续执行,因此也就解决了执行效率的问题。

等宏任务中的主要功能都直接完成之后,这时候,渲染引擎并不着急去执行下一个宏任务,而是执行当前宏任务中的微任务,因为 DOM 变化的事件都保存在这些微任务队列中,这样也就解决了实时性问题。

第二个是如何解决单个任务执行时长过久的问题。

因为所有的任务都是在单线程中执行的,所以每次只能执行一个任务,而其他任务就都处于等待状态。如果其中一个任务执行时间过久,那么下一个任务就要等待很长时间。可以参考下图:

从图中你可以看到,如果在执行动画过程中,其中有个 JavaScript 任务因执行时间过久,占用了动画单帧的时间,这样会给用户制造了卡顿的感觉,这当然是极不好的用户体验。针对这种情况,JavaScript 可以通过回调功能来规避这种问题,也就是让要执行的 JavaScript 任务滞后执行。至于浏览器是如何实现回调功能的,我们在后面的章节中再详细介绍。

实践:浏览器页面是如何运行的

有了上面的基础知识之后,我们最后来看看浏览器的页面是如何运行的。

你可以打开开发者工具,点击“Performance”标签,选择左上角的“start porfiling and load page”来记录整个页面加载过程中的事件执行情况,如下图所示:

从图中可以看出,我们点击展开了 Main 这个项目,其记录了主线程执行过程中的所有任务。图中灰色的就是一个个任务,每个任务下面还有子任务,其中的 Parse HTML 任务,是把 HTML 解析为 DOM 的任务。值得注意的是,在执行 Parse HTML 的时候,如果遇到 JavaScript 脚本,那么会暂停当前的 HTML 解析而去执行 JavaScript 脚本。

至于 Performance 工具,在后面的章节中我们还会详细介绍,在这里你只需要建立一个直观的印象就可以了。

总结

  • 如果有一些确定好的任务,可以使用一个单线程来按照顺序处理这些任务,这是第一版线程模型。
  • 要在线程执行过程中接收并处理新的任务,就需要引入循环语句和事件系统,这是第二版线程模型。
  • 如果要接收其他线程发送过来的任务,就需要引入消息队列,这是第三版线程模型。
  • 如果其他进程想要发送任务给页面主线程,那么先通过 IPC 把任务发送给渲染进程的 IO 线程,IO 线程再把任务发送给页面主线程。
  • 消息队列机制并不是太灵活,为了适应效率和实时性,引入了微任务

基于消息队列的设计是目前使用最广的消息架构,无论是安卓还是 Chrome 都采用了类似的任务机制,所以理解了本篇文章的内容后,你再理解其他项目的任务机制也会比较轻松。