浏览器工作原理：浅析页面循环系统 - 消息队列与事件循环 - 页面是怎么“活”起来的
最初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。
一、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：
二、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;
}
}
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：
三、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：
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 线程中一旦产生新任务就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。
四、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消息队列，然后再由渲染主线程的循环系统循环取出并执行，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。
五、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。
六、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
breakj;
}
}
七、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。
1、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。
不过这个模式有点问题，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。
这样也就是说，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。
2、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。
八、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。
1、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。
2、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。
3、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。
4、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。
5、消息队列机制并不太灵活，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。
问题补充：
1、宏任务是开会分配的工作内容，微任务是工作过程中被临时安排的内容。这个比喻很形象。
2、用CSS3实现动画是不是不会影响主线程，和用JS实现动画会影响主线程，这个说法对么？
是这样的，部分css3的动画效果是在合成线程上实现的，不需要主线程介入，所以省去了重排和重绘的过程，这就大大提升了渲染效率。JavaScript都是在在主线程上执行的，所以JavaScript的动画需要主线程的参与，所以效率会大打折扣！
3、为什么说页面是单线程架构？默认情况下每个标签页都会配套一个渲染进程，而一个渲染进程里不是有主线程、合成线程、IO线程等多个线程吗？是因为【排版引擎 blink】 和【JavaScript引擎 v8】都工作在渲染进程的主线程上并且是互斥的，基于这点说页面是单线程架构？
是的，他们都是在渲染进程的主线程上工作，所以同时只能执行一个。比如v8除了在主线程上执行JavaScript代码之外，还会在主线程上执行垃圾回收，所以执行垃圾回收时停止主线程上的所有任务，我们把垃圾回收这个特性叫着全停顿。
4、事件循环其实是监听执行任务的循环机制吗？而每一个执行任务都存档在消息队列里面，这些统称为宏任务，微任务是执行宏任务中遇到的异步操作吧，就是异步代码，如promise,settimeout任务。执行宏任务遇到异步任务先将其放入微任务列表，等该宏任务执行一遍后再执行该宏任务的微任务列表，我这样理解对吗？
第一个理解没错，事件循环系统就是在监听并执行消息队列中的任务！第二个理解也没问题，不过promise触发的微任务，settimeout触发的是宏任务！
5、浏览器的事件循环和 js event loop是一回事吗？
JavaScript没有自己循环系统，它依赖的就是浏览器的循环系统，也就是渲染进程提供的循环系统！所以可以说是一回事
注： 本文出自极客时间（浏览器工作原理与实践），请大家多多支持李兵老师。如有侵权，请及时告知。
