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浏览器渲染基本原理（二）：JS引擎的工作方式

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JS引擎也可以叫做JS解释器

浏览器的组成

浏览器的核心是两部分：渲染引擎和JavaScript解释器（又称JavaScript引擎）。

（1）渲染引擎

渲染引擎的主要作用是，将网页从代码“渲染”为用户视觉上可以感知的平面文档。不同的浏览器有不同的渲染引擎。

以上四步并非严格按顺序执行，往往第一步还没完成，第二步和第三步就已经开始了。所以，会看到这种情况：网页的HTML代码还没下载完，但浏览器已经显示出内容了。

（2）JavaScript引擎

JavaScript引擎的主要作用是，读取网页中的JavaScript代码，对其处理后运行。

本节主要介绍JavaScript引擎的工作方式。

<script> 标签的工作原理

正常的网页加载流程是这样的。
  1. 浏览器一边下载HTML网页，一边开始解析
  2. 解析过程中，发现 <script> 标签
  3. 暂停解析，网页渲染的控制权转交给JavaScript引擎
  4. 如果 <script> 标签引用了外部脚本，就下载该脚本，否则就直接执行
  5. 执行完毕，控制权交还渲染引擎，恢复往下解析HTML网页

也就是说，加载外部脚本时，浏览器会暂停页面渲染，等待脚本下载并执行完成后，再继续渲染。原因是JavaScript可以修改DOM（比如使用 document.write 方法），所以必须把控制权让给它，否则会导致复杂的线程竞赛的问题。

如果外部脚本加载时间很长（比如一直无法完成下载），就会造成网页长时间失去响应，浏览器就会呈现“假死”状态，这被称为“阻塞效应”。

为了避免这种情况，较好的做法是将 <script> 标签都放在页面底部，而不是头部。这样即使遇到脚本失去响应，网页主体的渲染也已经完成了，用户至少可以看到内容，而不是面对一张空白的页面。

如果某些脚本代码非常重要，一定要放在页面头部的话，最好直接将代码嵌入页面，而不是连接外部脚本文件，这样能缩短加载时间。

将脚本文件都放在网页尾部加载，还有一个好处。在DOM结构生成之前就调用DOM，JavaScript会报错，如果脚本都在网页尾部加载，就不存在这个问题，因为这时DOM肯定已经生成了。 

<head><script>console.log(document.body.innerHTML);

</script></head><body></body>

上面代码执行时会报错，因为此时 document.body 元素还未生成。

一种解决方法是设定 DOMContentLoaded 事件的回调函数。

下面是一个 window.requestAnimationFrame() 对比效果的例子。 

// 重绘代价高functiondoubleHeight(element) {

varcurrentHeight=element.clientHeight;

element.style.height= (currentHeight*2) +'px';

}

all_my_elements.forEach(doubleHeight);

// 重绘代价低functiondoubleHeight(element) {

varcurrentHeight=element.clientHeight;

window.requestAnimationFrame(function () {

element.style.height= (currentHeight*2) +'px';

});

}

all_my_elements.forEach(doubleHeight);

JavaScript虚拟机

JavaScript是一种解释型语言， 也就是说，它不需要编译，可以由解释器实时运行 。这样的好处是运行和修改都比较方便，刷新页面就可以重新解释；缺点是每次运行都要调用解释器，系统开销较大，运行速度慢于编译型语言。为了提高运行速度，目前的浏览器都将JavaScript进行一定程度的编译，生成类似字节码（bytecode）的中间代码，以提高运行速度。

早期，浏览器内部对JavaScript的处理过程如下：

  1. 读取代码，进行词法分析（Lexical analysis），将代码分解成词元（token）。
  2. 对词元进行语法分析（parsing），将代码整理成“语法树”（syntax tree）。
  3. 使用“翻译器”（translator），将代码转为字节码（bytecode）。
  4. 使用“字节码解释器”（bytecode interpreter），将字节码转为机器码。

逐行解释将字节码转为机器码，是很低效的。为了提高运行速度，现代浏览器改为采用“即时编译”（Just In Time compiler，缩写JIT），即字节码只在运行时编译，用到哪一行就编译哪一行，并且把编译结果缓存（inline cache）。通常，一个程序被经常用到的，只是其中一小部分代码，有了缓存的编译结果，整个程序的运行速度就会显著提升。

不同的浏览器有不同的编译策略。有的浏览器只编译最经常用到的部分，比如循环的部分；有的浏览器索性省略了字节码的翻译步骤，直接编译成机器码，比如chrome浏览器的V8引擎。

字节码不能直接运行，而是运行在一个虚拟机（Virtual Machine）之上，一般也把虚拟机称为JavaScript引擎。因为JavaScript运行时未必有字节码，所以JavaScript虚拟机并不完全基于字节码，而是部分基于源码，即只要有可能，就通过JIT（just in time）编译器直接把源码编译成机器码运行，省略字节码步骤。这一点与其他采用虚拟机（比如Java）的语言不尽相同。这样做的目的，是为了尽可能地优化代码、提高性能。下面是目前最常见的一些JavaScript虚拟机：

  • Chakra(Microsoft Internet Explorer)
  • Nitro/JavaScript Core (Safari)
  • Carakan (Opera)
  • SpiderMonkey (Firefox)
  • V8 (Chrome, Chromium)

单线程模型

含义

首先，明确一个观念：JavaScript只在一个线程上运行，不代表JavaScript引擎只有一个线程。事实上，JavaScript引擎有多个线程，其中单个脚本只能在一个线程上运行，其他线程都是在后台配合。JavaScript脚本在一个线程里运行。这意味着，一次只能运行一个任务，其他任务都必须在后面排队等待。

JavaScript之所以采用单线程，而不是多线程，跟历史有关系。JavaScript从诞生起就是单线程，原因是不想让浏览器变得太复杂，因为多线程需要共享资源、且有可能修改彼此的运行结果，对于一种网页脚本语言来说，这就太复杂了。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？所以，为了避免复杂性，从一诞生，JavaScript就是单线程，这已经成了这门语言的核心特征，将来也不会改变。

为了利用多核CPU的计算能力，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。

单线程模型带来了一些问题，主要是新的任务被加在队列的尾部，只有前面的所有任务运行结束，才会轮到它执行。如果有一个任务特别耗时，后面的任务都会停在那里等待，造成浏览器失去响应，又称“假死”。为了避免“假死”，当某个操作在一定时间后仍无法结束，浏览器就会跳出提示框，询问用户是否要强行停止脚本运行。

如果排队是因为计算量大，CPU忙不过来，倒也算了，但是很多时候CPU是闲着的，因为IO设备（输入输出设备）很慢（比如Ajax操作从网络读取数据），不得不等着结果出来，再往下执行。JavaScript语言的设计者意识到，这时CPU完全可以不管IO设备，挂起处于等待中的任务，先运行排在后面的任务。等到IO设备返回了结果，再回过头，把挂起的任务继续执行下去。这种机制就是JavaScript内部采用的Event Loop。

消息队列

JavaScript运行时，除了一根运行线程，系统还提供一个消息队列（message queue），里面是各种需要当前程序处理的消息。新的消息进入队列的时候，会自动排在队列的尾端。

运行线程只要发现消息队列不为空，就会取出排在第一位的那个消息，执行它对应的回调函数。等到执行完，再取出排在第二位的消息，不断循环，直到消息队列变空为止。

每条消息与一个回调函数相联系，也就是说，程序只要收到这条消息，就会执行对应的函数。另一方面，进入消息队列的消息，必须有对应的回调函数。否则这个消息就会遗失，不会进入消息队列。举例来说，鼠标点击就会产生一条消息，报告 click 事件发生了。如果没有回调函数，这个消息就遗失了。如果有回调函数，这个消息进入消息队列。等到程序收到这个消息，就会执行click事件的回调函数。

另一种情况是 setTimeout 会在指定时间向消息队列添加一条消息。如果消息队列之中，此时没有其他消息，这条消息会立即得到处理；否则，这条消息会不得不等到其他消息处理完，才会得到处理。因此， setTimeout 指定的执行时间，只是一个最早可能发生的时间，并不能保证一定会在那个时间发生。

一旦当前执行栈空了，消息队列就会取出排在第一位的那条消息，传入程序。程序开始执行对应的回调函数，等到执行完，再处理下一条消息。

Event Loop

所谓Event Loop，指的是一种内部循环，用来一轮又一轮地处理消息队列之中的消息，即执行对应的回调函数。Wikipedia的定义是：“Event Loop是一个程序结构，用于等待和发送消息和事件（a programming construct that waits for and dispatches events or messages in a program）”。可以就把Event Loop理解成动态更新的消息队列本身。

下面是一些常见的JavaScript任务。

  • 执行JavaScript代码
  • 对用户的输入（包含鼠标点击、键盘输入等等）做出反应
  • 处理异步的网络请求

所有任务可以分成两种，一种是同步任务（synchronous），另一种是异步任务（asynchronous）。同步任务指的是，在JavaScript执行进程上排队执行的任务，只有前一个任务执行完毕，才能执行后一个任务；异步任务指的是，不进入JavaScript执行进程、而进入“任务队列”（task queue）的任务，只有“任务队列”通知主进程，某个异步任务可以执行了，该任务（采用回调函数的形式）才会进入JavaScript进程执行。

以Ajax操作为例，它可以当作同步任务处理，也可以当作异步任务处理，由开发者决定。如果是同步任务，主线程就等着Ajax操作返回结果，再往下执行；如果是异步任务，该任务直接进入“任务队列”，JavaScript进程跳过Ajax操作，直接往下执行，等到Ajax操作有了结果，JavaScript进程再执行对应的回调函数。

也就是说，虽然JavaScript只有一根进程用来执行，但是并行的还有其他进程（比如，处理定时器的进程、处理用户输入的进程、处理网络通信的进程等等）。这些进程通过向任务队列添加任务，实现与JavaScript进程通信。

想要理解Event Loop，就要从程序的运行模式讲起。运行以后的程序叫做“进程”（process），一般情况下，一个进程一次只能执行一个任务。如果有很多任务需要执行，不外乎三种解决方法。

  1. 排队。因为一个进程一次只能执行一个任务，只好等前面的任务执行完了，再执行后面的任务。

  2. 新建进程。使用fork命令，为每个任务新建一个进程。

  3. 新建线程。因为进程太耗费资源，所以如今的程序往往允许一个进程包含多个线程，由线程去完成任务。

如果某个任务很耗时，比如涉及很多I/O（输入/输出）操作，那么线程的运行大概是下面的样子。

上图的绿色部分是程序的运行时间，红色部分是等待时间。可以看到，由于I/O操作很慢，所以这个线程的大部分运行时间都在空等I/O操作的返回结果。这种运行方式称为”同步模式”（synchronous I/O）。

如果采用多线程，同时运行多个任务，那很可能就是下面这样。

上图表明，多线程不仅占用多倍的系统资源，也闲置多倍的资源，这显然不合理。

上图主线程的绿色部分，还是表示运行时间，而橙色部分表示空闲时间。每当遇到I/O的时候，主线程就让Event Loop线程去通知相应的I/O程序，然后接着往后运行，所以不存在红色的等待时间。等到I/O程序完成操作，Event Loop线程再把结果返回主线程。主线程就调用事先设定的回调函数，完成整个任务。

可以看到，由于多出了橙色的空闲时间，所以主线程得以运行更多的任务，这就提高了效率。这种运行方式称为”异步模式“（asynchronous I/O）。

这正是JavaScript语言的运行方式。单线程模型虽然对JavaScript构成了很大的限制，但也因此使它具备了其他语言不具备的优势。如果部署得好，JavaScript程序是不会出现堵塞的，这就是为什么node.js平台可以用很少的资源，应付大流量访问的原因。

如果有大量的异步任务（实际情况就是这样），它们会在“消息队列”中产生大量的消息。这些消息排成队，等候进入主线程。本质上，“消息队列”就是一个“先进先出”的数据结构。比如，点击鼠标就产生一系列消息（各种事件）， mousedown 事件排在 mouseup 事件前面， mouseup 事件又排在 click 事件的前面。

参考链接
John Dalziel, The race for speed part 2: How JavaScript compilers work
Jake Archibald，Deep dive into the murky waters of script loading
Mozilla Developer Network, window.setTimeout
Remy Sharp, Throttling function calls
Ayman Farhat, An alternative to Javascript’s evil setInterval
Ilya Grigorik, Script-injected “async scripts” considered harmful
Axel Rauschmayer, ECMAScript 6 promises (1/2): foundations
Daniel Imms, async vs defer attributes
Craig Buckler, Load Non-blocking JavaScript with HTML5 Async and Defer
Domenico De Felice, How browsers work为这个值。

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