Chrome架构进化史

前置知识

1. 并行处理

计算机中的并行处理就是同一时刻处理多个任务。

如：有一个程序，计算下面三个表达式的值，并显示出结果。

A = 1 + 2

B = 20 / 5

C = 7 * 8

在编写代码的时候，我们可以将这个程序的过程分成四个任务：

  • 任务1：计算A = 1 + 2

  • 任务2：计算B = 20 / 5

  • 任务3：计算C = 7 * 8

  • 任务4：显示计算的结果

正常情况下，程序可以使用单线程来处理，需要四步，即按顺序执行四个任务。

但是，如果使用多线程来处理，只需要两步，即第一步使用三个线程同时执行前三个任务，第二步执行任务4。

不难发现，线程依附于进程，进程中使⽤多线程并⾏处理能大大提升运算效率。

2. 进程

一个进程就是一个程序的运行实例，是资源分配和调度的基本单位。

启动一个程序的时候，操作系统会为该程序创建一块内存空间，用来存放代码、运行中的数据和一个执行任务的主线程，这样的一个运行环境就叫进程。

3. 线程

线程不能单独存在，它是由进程来启动和管理的。

线程是一个基本的CPU执行单元，是程序执行流的最小单位。

4. 进程与线程的关系

  1. 进程中的任意线程执⾏出错，都会导致整个进程的崩溃。

  2. 线程之间共享进程中的数据。

  3. 进程关闭之后，操作系统会回收进程所占⽤的内存。

    一个进程退出时，操作系统会回收该进程申请的所有资源，即使进程中的线程有操作不当而导致的内存泄漏，也会被回收。

  4. 进程之间相互隔离

    进程隔离是操作系统为保护进程之间互不干扰的技术，每个进程只能访问自己所申请的资源，这样可以防止进程A将数据写入进程B的情况。

    同时，一个进程如果崩溃了，并不会影响其他进程的运行。

    如果进程之间需要进行数据通信的话，可以使用进程间通信的机制（IPC机制）

一、单进程浏览器时代

1. 单进程浏览器架构

浏览器的所有功能模块都运行在一个进程里，如网络、插件、JavaScript运行环境、渲染引擎和页面等模块。2007年之前，市面上的浏览器都是单进程。

image-202010311634544442. 单进程架构带来的问题

(1) 不稳定

早期浏览器需要借助插件来实现Web视频，Web游戏等功能，一个插件的崩溃就会导致整个浏览器崩溃。

渲染引擎模块也不稳定，一些复杂的JavaScript代码就有可能引起渲染引擎模块的崩溃，导致整个浏览器崩溃。

(2) 不流畅

所有页面的渲染模块，JavaScript执行环境，插件都是运行在一个页面线程中，如果JavaScript代码执行时间过长，会占用整个页面线程，导致页面失去响应，变卡顿。

同时页面存在内存泄漏等问题，也会让浏览器内存占用越来越高，越来越慢。

(3) 不安全

恶意的插件或脚本通过浏览器漏洞获取系统权限，从而会引发安全问题。

二、多进程浏览器时代

1. 早期多进程架构

2008年Chrome发布时的进程架构。

Chrome的页面运行在单独的渲染进程中，同时插件也独立出来了，运行在插件进程中，进程之间通过IPC机制进行通信。

将单进程拆分为一个浏览器主进程，多个渲染进程，多个插件进程。

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(1) 如何解决不稳定的问题？

进程之间相互隔离。当一个页面或者插件崩溃时，仅仅影响到的是当前页面或插件的进程，并不会对浏览器主进程造成影响，这样就不会导致崩溃问题，从而解决了不稳定的问题。

(2) 如何解决不流畅的问题？

一个页面对应一个渲染进程。因为JavaScript运行在渲染进程中，所以即使JavaScript阻塞了渲染进程，影响到的也是当前的渲染进程，并不会对浏览器主进程和其他渲染进程有影响，即使遇到不流畅问题也只是当前页面不流畅，不会影响其他页面，从而解决了不流畅问题。

(3) 如何解决不安全的问题？

使用安全沙箱。相当于操作系统给进程上了一把锁，沙箱里面的程序可以运行，但是不能往硬盘上写任何数据或是读取敏感数据等危险操作。Chrome把插件进程和渲染进程锁在沙箱里运行，这样即使插件进程或渲染进程有恶意程序，也无法突破沙箱获取系统权限。

2. 目前多进程架构

最新的Chrome浏览器包括：1个浏览器主进程、1个GPU进程、1个网络进程、多个渲染进程和多个插件进程。

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  • 浏览器主进程：主要负责界面显示、用户交互、子进程管理，同时提供存储功能。
  • GPU进程：Chrome刚发布时是没有GPU进程的。为了实现3D CSS的效果，从而引入了GPU，随后，网页、Chrome的UI界面都采用GPU来绘制，这使得GPU成为浏览器普遍的需求。所以，Chrome在多进程架构上引入了GPU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主进程里面的，后来才独立出来的。
  • 渲染进程：核心任务是将HTML、CSS和JavaScript转换为可以与用户交互的页面，排版引擎Blink和JavaScript引擎V8都运行在该进程中，默认情况下，Chrome会为每个Tab标签创建一个渲染进程，同时是在沙箱模式下运行的。
  • 插件进程：主要负责插件的运行。保证插件的运行不会对浏览器主进程和渲染进程造成影响。

3. 多进程架构带来的问题

虽然多进程架构提升了浏览器的稳定性、流畅性和安全性，但同样带来了不可避免的一些问题。

(1) 更高的资源占用

因为每个进程都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。

(2) 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，会导致现在的架构难以适应新的需求。

三、未来面向服务的架构

为了解决上面2个问题，在2016年，Chrome官方团队使用“面向服务的架构”（Services Oriented Architecture, SOA）的思想设计了新的架构。

原来的各种模块会被重构成独立的Service，每个Service都可以在独立的进程中运行，访问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。

image-20201030224455884目前Chrome正处在老的架构向服务化架构过渡阶段，这是一个漫长的迭代过程。

Chrome正在逐步构建基础服务，同时还提供灵活的弹性架构，在强大的性能设备上会以多进程的方式运行Chrome基础服务，但如果在资源受限的设备上，Chrome会将很多服务整合到一个进程中，以减少内存占用。

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参考链接