浏览器工作原理与实践

15 | 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",num1,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：

第一版：线程的一次执行

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：

第二版：在线程中引入事件循环

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：

渲染进程线程之间发送任务

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：

消息队列

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：

第三版线程模型：队列 + 循环

从上图可以看出，我们的改造可以分为下面三个步骤：

  1. 添加一个消息队列；

  2. IO 线程中产生的新任务添加进消息队列尾部；

  3. 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：

跨进程发送消息

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open in new window，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：

单个任务执行时间过久

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：

Performance 页面

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

好了，今天就讲到这里，下面我来总结下今天所讲的内容。

  • 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。

思考时间

今天给你留的思考题是：结合消息队列和事件循环，你认为微任务是什么？引入微任务能带来什么优势呢？

欢迎在留言区与我分享你的想法，也欢迎你在留言区记录你的思考过程。感谢阅读，如果你觉得这篇文章对你有帮助的话，也欢迎把它分享给更多的朋友。

Last Updated:
Contributors: Zhang Kaiwei