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浏览器的多进程架构

首先这个专栏所有的分析都是基于 Chrome 浏览器的。可能你会问，为什么偏偏选择 Chrome 浏览器？

因为 Chrome、微软的 Edge 以及国内的大部分主流浏览器，都是基于 Chromium 二次开发而来，而 Chrome 是 Google 的官方发行版，特性和 Chromium 基本一样，只存在一些产品层面差异，再加上 Chrome 是目前世界上使用率最高的浏览器，所以 Chrome 最具代表性。

在开始之前，我们一起看下，Chrome 打开一个页面需要启动多少进程？你可以点击 Chrome 浏览器右上角的“选项”菜单，选择“更多工具”子菜单，点击“任务管理器”，这将打开 Chrome 的任务管理器的窗口，如下图：

chrome.png

和 Windows 任务管理器一样，Chrome 任务管理器也是用来展示运行中 Chrome 使用的进程信息的。从图中可以看到，Chrome 启动了 4 个进程，你也许会好奇，只是打开了 1 个页面，为什么要启动这么多进程呢？

单进程浏览器时代

顾名思义，单进程浏览器是指浏览器的所有功能模块都是运行在同一个进程里，这些模块包含了网络、插件、JavaScript 运行环境、渲染引擎和页面等。其实早在 2007 年之前，市面上浏览器都是单进程的。
单进程浏览器的架构如下图所示：

browser.png

如此多的功能模块运行在一个进程里，是导致单进程浏览器不稳定、不流畅和不安全的一个主要因素。下面我就来一一分析下出现这些问题的原因。

不稳定

早期浏览器需要借助于插件来实现诸如 Web 视频、Web 游戏等各种强大的功能，但是插件是最容易出问题的模块，并且还运行在浏览器进程之中，所以一个插件的意外崩溃会引起整个浏览器的崩溃。

除了插件之外，渲染引擎模块也是不稳定的，通常一些复杂的 JavaScript 代码就有可能引起渲染引擎模块的崩溃。和插件一样，渲染引擎的崩溃也会导致整个浏览器的崩溃。

不流畅

从上面的“单进程浏览器架构示意图”可以看出，所有页面的渲染模块、JavaScript 执行环境以及插件都是运行在同一个线程中的，这就意味着同一时刻只能有一个模块可以执行。

比如，下面这个无限循环的脚本：

function freeze () {
  while (1) {
    console.log("freeze");
  }
}
freeze();

如果让这个脚本运行在一个单进程浏览器的页面里，你感觉会发生什么？

因为这个脚本是无限循环的，所以当其执行时，它会独占整个线程，这样导致其他运行在该线程中的模块就没有机会被执行。因为浏览器中所有的页面都运行在该线程中，所以这些页面都没有机会去执行任务，这样就会导致整个浏览器失去响应，变卡顿。

除了上述脚本或者插件会让单进程浏览器变卡顿外，页面的内存泄漏也是单进程变慢的一个重要原因。通常浏览器的内核都是非常复杂的，运行一个复杂点的页面再关闭页面，会存在内存不能完全回收的情况，这样导致的问题是使用时间越长，内存占用越高，浏览器会变得越慢。

不安全

这里依然可以从插件和页面脚本两个方面来解释该原因。

插件可以使用 C/C++ 等代码编写，通过插件可以获取到操作系统的任意资源，当你在页面运行一个插件时也就意味着这个插件能完全操作你的电脑。如果是个恶意插件，那么它就可以释放病毒、窃取你的账号密码，引发安全性问题。

至于页面脚本，它可以通过浏览器的漏洞来获取系统权限，这些脚本获取系统权限之后也可以对你的电脑做一些恶意的事情，同样也会引发安全问题。

以上这些就是当时浏览器的特点，不稳定，不流畅，而且不安全。这是一段不堪回首的过去，也许你没有经历过，不过你可以想象一下这样的场景：当你正在用浏览器打开多个页面时，突然某个页面崩溃了或者失去响应，随之而来的是整个浏览器的崩溃或者无响应，然后你发现你给老板写的邮件页面也随之消失了，这时你的心情会不会和页面一样崩溃呢？

多进程浏览器时代

好在现代浏览器已经解决了这些问题，是如何解决的呢？

1. 早期多进程架构

你可以先看看下面这张图，这是 2008 年 Chrome 发布时的进程架构。

chrome02.png

从图中可以看出，Chrome 的页面是运行在单独的渲染进程中的，同时页面里的插件也是运行在单独的插件进程之中，而进程之间是通过 IPC 机制进行通信（如图中虚线部分）。

由于进程是相互隔离的，所以当一个页面或者插件崩溃时，影响到的仅仅是当前的页面进程或者插件进程，并不会影响到浏览器和其他页面，这就完美地解决了页面或者插件的崩溃会导致整个浏览器崩溃，也就是不稳定的问题。

同样，JavaScript 也是运行在渲染进程中的，所以即使 JavaScript 阻塞了渲染进程，影响到的也只是当前的渲染页面，而并不会影响浏览器和其他页面，因为其他页面的脚本是运行在它们自己的渲染进程中的。所以当我们再在 Chrome 中运行上面那个死循环的脚本时，没有响应的仅仅是当前的页面。

对于内存泄漏的解决方法那就更简单了，因为当关闭一个页面时，整个渲染进程也会被关闭，之后该进程所占用的内存都会被系统回收，这样就轻松解决了浏览器页面的内存泄漏问题。

采用多进程架构的额外好处是可以使用安全沙箱，你可以把沙箱看成是操作系统给进程上了一把锁，沙箱里面的程序可以运行，但是不能在你的硬盘上写入任何数据，也不能在敏感位置读取任何数据，例如你的文档和桌面。Chrome 把插件进程和渲染进程锁在沙箱里面，这样即使在渲染进程或者插件进程里面执行了恶意程序，恶意程序也无法突破沙箱去获取系统权限。

2. 现代多进程架构

相较之前，目前的架构又有了很多新的变化。我们先看看最新的 Chrome 进程架构，你可以参考下图：

chrome03.png

从图中可以看出，最新的 Chrome 浏览器包括：1 个浏览器（Browser）主进程、1 个 GPU 进程、1 个网络（NetWork）进程、多个渲染进程和多个插件进程。

3. 浏览器常驻进程

下面我们来逐个分析下这几个进程的功能。

浏览器进程

浏览器进程。主要负责界面显示、用户交互、子进程管理，同时提供存储等功能。

渲染进程

渲染进程。核心任务是将 HTML、CSS 和 JavaScript 转换为用户可以与之交互的网页，排版引擎 Blink 和 JavaScript 引擎 V8 都是运行在该进程中，默认情况下，Chrome 会为每个 Tab 标签创建一个渲染进程。出于安全考虑，渲染进程都是运行在沙箱模式下。

GPU 进程

GPU 进程。其实，Chrome 刚开始发布的时候是没有 GPU 进程的。而 GPU 的使用初衷是为了实现 3D CSS 的效果，只是随后网页、Chrome 的 UI 界面都选择采用 GPU 来绘制，这使得 GPU 成为浏览器普遍的需求。最后，Chrome 在其多进程架构上也引入了 GPU 进程。

网络进程

网络进程。主要负责页面的网络资源加载，之前是作为一个模块运行在浏览器进程里面的，直至最近才独立出来，成为一个单独的进程。

插件进程

插件进程。主要是负责插件的运行，因插件易崩溃，所以需要通过插件进程来隔离，以保证插件进程崩溃不会对浏览器和页面造成影响。

现在你应该就可以回答文章开头提到的问题了：仅仅打开了 1 个页面，为什么有 4 个进程？
因为打开 1 个页面至少需要 1 个网络进程、1 个浏览器进程、1 个 GPU 进程以及 1 个渲染进程，共 4 个；
如果打开的页面有运行插件的话，还需要再加上 1 个插件进程。

4. 多进程模型存在的问题

不过凡事都有两面性，虽然多进程模型提升了浏览器的稳定性、流畅性和安全性，但同样不可避免地带来了一些问题：

更高的资源占用

因为每个进程都会包含公共基础结构的副本（如 JavaScript 运行环境），这就意味着浏览器会消耗更多的内存资源。

更复杂的体系架构

浏览器各模块之间耦合性高、扩展性差等问题，会导致现在的架构已经很难适应新的需求了。

对于上面这两个问题，Chrome 团队一直在寻求一种弹性方案，既可以解决资源占用高的问题，也可以解决复杂的体系架构的问题。

未来面向服务的架构

为了解决这些问题，在 2016 年，Chrome 官方团队使用“面向服务的架构”（Services Oriented Architecture，简称 SOA）的思想设计了新的 Chrome 架构。也就是说 Chrome 整体架构会朝向现代操作系统所采用的“面向服务的架构” 方向发展，原来的各种模块会被重构成独立的服务（Service），每个服务（Service）都可以在独立的进程中运行，访问服务（Service）必须使用定义好的接口，通过 IPC 来通信，从而构建一个更内聚、松耦合、易于维护和扩展的系统，更好实现 Chrome 简单、稳定、高速、安全的目标。

Chrome 最终要把 UI、数据库、文件、设备、网络等模块重构为基础服务，类似操作系统底层服务，下面是 Chrome“面向服务的架构”的进程模型图：

chrome04.png

目前 Chrome 正处在老的架构向服务化架构过渡阶段，这将是一个漫长的迭代过程。

Chrome 正在逐步构建 Chrome 基础服务（Chrome Foundation Service），如果你认为 Chrome 是“便携式操作系统”，那么 Chrome 基础服务便可以被视为该操作系统的“基础”系统服务层。

同时 Chrome 还提供灵活的弹性架构，在强大性能设备上会以多进程的方式运行基础服务，但是如果在资源受限的设备上（如下图），Chrome 会将很多服务整合到一个进程中，从而节省内存占用。

chrome05.png

总结

最初的浏览器都是单进程的，它们不稳定、不流畅且不安全，之后出现了 Chrome，创造性地引入了多进程架构，并解决了这些遗留问题。随后 Chrome 试图应用到更多业务场景，如移动设备、VR、视频等，为了支持这些场景，Chrome 的架构体系变得越来越复杂，这种架构的复杂性倒逼 Chrome 开发团队必须进行架构的重构，最终 Chrome 团队选择了面向服务架构（SOA）形式，这也是 Chrome 团队现阶段的一个主要任务。

鉴于目前架构的复杂性，要完整过渡到面向服务架构，估计还需要好几年时间才能完成。不过 Chrome 开发是一个渐进的过程，新的特性会一点点加入进来，这也意味着我们随时能看到 Chrome 新的变化。

总体说来，Chrome 是以一个非常快速的速度在进化，越来越多的业务和应用都逐渐转至浏览器来开发，身为开发人员，我们不能坐视不管，而应该紧跟其步伐，收获这波技术红利。

知识拓展

1. 回顾浏览器的进化路线，你认为推动浏览器发展的主要动力是什么？

需求推动浏览器发展。

2. 如今的多进程架构，还会碰到一些由于单个页面卡死导致所有页面崩溃的情况，是什么原因？

Chrome的默认策略是，每个标签对应一个渲染进程。但是如果从一个页面打开了新页面，而新页面和当前页面属于同一站点时，那么新页面会复用父页面的渲染进程。官方把这个默认策略叫 process-per-site-instance。
直白的讲，就是如果几个页面符合同一站点，那么他们将被分配到一个渲染进程里面去。
所以，这种情况下，一个页面崩溃了，会导致同一站点的页面同时崩溃，因为他们使用了同一个渲染进程。

3. 浏览器的常驻线程有哪些？

JS 引擎线程（单线程）；

解析和执行 JavaScript 代码，常见的有 V8 引擎。

GUI 线程（互斥）；

绘制用户界面，执行渲染操作。

http 网络请求线程；
浏览器事件处理线程；

JS 引擎线程和 GUI 线程是互斥的，例如 JS 引擎阻塞，会导致 GUI 线程阻塞，不能同时进行。

4. 为什么 JS 引擎设计之初就是单线程？

JS 引擎是为用户交互设计，用户交互必然会操作 DOM，多线程操作 DOM 会导致 DOM 冲突。

5. JS 引擎是单线程的，如果数据量大怎么办（大量渲染、大量计算）？

两种类型的解决方案，SSR、webworkder，不是唯一的解决方案。

  • SSR（服务端渲染技术）是 vue 和 node 结合用来处理数据计算的技术，后台处理数据，计算交给后端，前端用来渲染；
  • webworkder，H5 中新增的 API，向 JS 引擎申请开子线程，归属于 JS 引擎下的子线程，由浏览器开辟，完全不能访问 DOM；

SSR 和 webworker 的出现是为了解决大量计算的问题 。