EventLoop = TaskQueue + RenderQueue，你看明白了吗？

前言

在最近的工作和学习中，有一个词总是在眼前挥之不去--EventLoop。而在之前，其实我们讲过相关的内容，Event Loop 可视化解析

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上文我们从偏JS调用机制的角度分析了，调用栈(Call Stack)/宏任务队列 (Task Queue)和微任务队列 (Microtask Queue)他们之间的关系和他们是如何协同合作的。并且，举了很多例子，用可视化的方式讲解它们如何工作的。

而今天，我们从浏览器内部的实现细节来谈谈EventLoop是如何从接受任务到渲染出对应页面的。

也就是下图中所涉及到的各个重要节点。在阅读完本文后，希望大家能对下面有一个清晰的认知。

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好了，天不早了，干点正事哇。

我们能所学到的知识点

1. 前置知识点

「前置知识点」，只是做一个概念的介绍，不会做深度解释。因为，这些概念在下面文章中会有出现，为了让行文更加的顺畅，所以将本该在文内的概念解释放到前面来。「如果大家对这些概念熟悉，可以直接忽略」同时，由于阅读我文章的群体有很多，所以有些知识点可能「我视之若珍宝，尔视只如草芥，弃之如敝履」。以下知识点，请「酌情使用」。

页面刷新术语

我们在页面是如何生成的(宏观角度)一文中提到过这些指标，这里就拿来主义了。

• 「屏幕刷新频率」

一秒内屏幕刷新的次数（一秒内显示了多少帧的图像），单位 Hz（赫兹），如常见的 60 Hz。「刷新频率取决于硬件的固定参数」（不会变的）。

• 「逐行扫描」

• 显示器并不是一次性将画面显示到屏幕上，而是「从左到右边，从上到下逐行扫描」，顺序显示整屏的一个个像素点，不过这一过程快到人眼无法察觉到变化。

• 以 60 Hz 刷新率的屏幕为例，这一过程即 1000 / 60 ≈ 16ms。

• 当扫描完一个屏幕后，设备需要「重新回到第一行」以进入下一次的循环，此时有一段时间空隙，称为VerticalBlanking Interval(VBI)。

• 「帧率 （Frame Rate）」

• 表示 「GPU 在一秒内绘制操作的帧数」，如 60 fps，即每秒钟GPU最多绘制 60 帧画面。

• 帧率是「动态变化」的，例如当画面静止时，GPU 是没有绘制操作的，屏幕刷新的还是buffer中的数据，即GPU最后操作的帧数据。

• 「画面撕裂（tearing）」

• 一个屏幕内的数据来自2个不同的帧，画面会出现撕裂感。

测试帧率

我们可以借助requestAnimationFrame通过每个测量前后帧发生的时间间隔，来从侧面查看本地浏览器帧率。

const checkRequestAnimationDiff = () => {
    let prev;
    function call() {
        requestAnimationFrame((timestamp) => {
            if (prev) {
                console.log(timestamp - prev); 
                // 应该大约是60FPS的16.6毫秒
            }
            prev = timestamp;
            call();
        });
    }
    call();
}
checkRequestAnimationDiff();

随意打开一个网站，并将上述代码贴到devtool-Console运行。

下面是，我们在React-官网[1]中实验的结果。

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从输出结果来看，虽然结果不是唯一，但是它们的值都稳定在16.67~16.68。和我们60fps是吻合的。

WebAPI

WebAPI工作的原理依赖于浏览器作为宿主环境来提供和执行这些API。在Web开发中，我们通常指的WebAPI是「浏览器内置的API」，它们允许开发者利用JavaScript与浏览器的功能进行交互。

WebAPI的工作流程

在整个过程中，「浏览器的角色是中介」，它提供了执行API的环境和必要的安全措施。这些API让Web应用可以像本地应用一样丰富和强大，同时仍然运行在浏览器这个相对安全的沙箱环境中。

下面的图，展示了WebAPI的地位(中间部分)。

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GPU硬件加速

「GPU（Graphics Processing Unit）硬件加速」是一种利用GPU来执行图形和计算任务的技术。在Web开发中，GPU硬件加速可以通过利用用户计算机中的GPU资源来加速浏览器的渲染和绘制操作。这通常可以提高网页的性能和流畅度，尤其是对于需要大量图形操作的页面。

在Web开发中，一些CSS属性和操作可以触发GPU硬件加速，以便更有效地利用GPU资源。

使用transform属性进行3D变换，如translate3d、rotate3d、scale3d等，可以触发GPU硬件加速。例如：

.element {
  transform: translate3d(0, 0, 0);
}

• 使用CSS动画和过渡属性，例如transform属性的过渡，可以触发GPU硬件加速。例如：

  .element {
    transition: transform 0.3s ease-in-out;
  }

• 在元素上进行绘图操作通常会利用GPU硬件加速。这包括使用2D或WebGL上下文进行图形渲染。

• will-change属性告诉浏览器某个属性将会被改变，从而可以提前进行优化。例如：

  .element {
    will-change: transform;
  }

• image-rendering属性用于指定图像的渲染质量，而且在某些情况下也能触发GPU硬件加速。例如：

  .element {
    image-rendering: pixelated;
  }

• backface-visibility属性用于指定当元素不面向屏幕时是否可见。在某些情况下，该属性的使用可以触发GPU硬件加速。例如：

  .element {
    backface-visibility: hidden;
  }

• 在某些情况下，使用filter属性（如模糊、对比度等）可能触发GPU硬件加速。

还记得我们在你会在浏览器中打断点吗？我会！中介绍过如何看chromium 在线仓库[2]

那我们就从源码的角度来看看，为什么上面的属性会走GPU硬件加速

或者我们可以看compositing_reason_finder.cc这个文件，它例举了很多枚举类型。

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2. 事件循环(Event Loop)

事件循环就是一个「死循环」，不死不休。

旧的操作系统不支持多线程，它们的事件循环可以被大致描述为一个简单的循环：

while (true) {
    if (hasTasks()) {
        executeTask();
    }
}

现代操作系统的调度器(schedulers)非常复杂。它们有优先级设置、执行队列等许多其他技术。

这里做一个题外话，看到schedulers/优先级设置是不是想到React-Fiber架构了。其实，React在内部就是模仿操作系统，做了自己的实现逻辑。(这里就不展开说明了)

为了让事情简单化，我们可以将事件循环(Event Loop)描述为一个循环，该循环检查是否有任何待处理的任务：

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任务触发器

浏览器属于「事件驱动」的技术框架，如果想让Event Loop探查并执行对应的任务，首先要做的就是将某些任务进行触发。也就是唤起指定任务的触发器。

下面就是我们平时能够接触到的任务触发器

setTimeout：设置一个计时器，在指定的延时后执行一段代码。

setInterval：设置一个计时器，按照指定的时间间隔重复执行一段代码。

requestIdleCallback：安排一个函数在浏览器空闲时期被调用。

用户触发的事件，例如click, mousedown, input, blur等。

代码生成的事件，比如XMLHttpRequest的响应处理、fetch API的promise resolve等。

DOMMutationObserver：用于观察DOM变动，当DOM发生变化时可以通知应用。

IntersectionObserver：用于观察元素是否进入了父元素或视口的特定区域。

上面的任务几乎都是通过WebAPI进行触发的。

例如，我们在代码中有这样一行：setTimeout(function a() {}, 100)。当我们执行setTimeout时，WebAPI将任务延迟了100毫秒。100毫秒后，WebAPI将函数a()放入任务队列（Task Queue）（也可以称为Callback Queue）中。事件循环在下一个循环中获取该任务并执行它。

JS执行和页面渲染是难兄难弟

EventLoop = TaskQueue + RenderQueue

在之前的文章中，我们提到过文档对象模型(DOM)是一个应用编程接口（API），通过创建表示文档的树,以一种「独立于平台和语言」的方式访问和修改一个页面的内容和结构。

在HTML文档中，Web开发者可以使用JS来CRUD DOM 结构，其主要的目的是「动态」改变HTML文档的结构。

• 读取DOM元素的数据：大小、属性、位置等
• 改变属性：data-属性、宽度、高度、位置、CSS属性等
• 创建/删除HTML节点

而在JS把玩DOM之后，就将其扔给了浏览器的渲染引擎，而渲染引擎任劳任怨的处理DOM和DOM携带的附带信息，并将其渲染成用户心仪的页面。

也就是说「JS和浏览器(渲染引擎)都能染指过DOM」。

基于上面的特定的背景，我们可以得出一个结论，执行JS和渲染页面都在同一个线程里。

这意味着事件循环包含渲染流程。而渲染流程不是单一的操作。其实，它是渲染队列：

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现在EventLoop处理链路上有两个任务源。

屏幕更新

对于浏览器来说，事件循环与帧（frames）密切相关，因为EventLoop同时执行JS代码并渲染页面。

可以将帧视为屏幕状态的快照，即用户在某一时刻看到的画面。

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我们在Chromium 最新渲染引擎--RenderingNG也介绍过frames。

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浏览器的目标是尽快显示页面更新，考虑到硬件和软件的限制：

• 硬件限制：屏幕刷新率
• 软件限制：操作系统设置、浏览器及其设置、节能设置等

绝大多数浏览器/操作系统支持60帧每秒（Frames Per Second，FPS）。浏览器试图以这个特定的速率更新屏幕。

当我们使用60 FPS时,这意味着浏览器在必须「渲染新帧之前有16.6毫秒的时间段来执行任务」（1000/60），而渲染新帧也会消耗时间。

3. 任务队列/微任务队列/调用栈

浏览器使用两个队列来执行我们的JS代码：

• 任务队列(TaskQueue)或宏任务队列专用于所有事件、延迟任务等。
• 微任务队列(Microtask Queue)用于处理 promise 回调（已解决和已拒绝），以及 MutationObserver。这个队列中的单个元素被称为 微任务。

任务队列（Task Queue）

当浏览器收到一个新任务时，它将任务放入任务队列。每个事件循环定期从任务队列中获取任务并执行它。任务完成后，「如果浏览器有时间（渲染队列没有任务），事件循环从任务队列获取另一个任务，直到渲染队列接收到任务为止」。

案例分析1

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我们有3个任务：A、B、C。事件循环获取并执行第一个任务，花费了4毫秒。然后事件循环检查其他队列（微任务队列和渲染队列），它们是空的。事件循环执行任务B，花费了12毫秒。总共两个任务使用了16毫秒。然后浏览器将任务添加到渲染队列以绘制新帧。事件循环检查渲染队列并开始执行渲染队列中的任务，它们大约花费1毫秒。完成这些操作后，事件循环返回到任务队列并执行最后一个任务C。

事件循环无法预测任务将花费多少时间。此外，事件循环「无法暂停任务来渲染帧」，因为浏览器引擎不知道该任务是否会对绘制内容有修改动作，还是任务只是为了渲染帧做了一些无关痛痒的准备工作。

在执行JS代码期间，「JS所做的所有更改并不会直接呈现给用户，而是等到宏任务和所有待处理的微任务完成后才会表现出来」。但是，此时在JS中可以获取到最新DOM的变更信息。

案例分析2

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队列中只有2个任务（A、B）。第一个任务A花费了240毫秒(无法中断)。由于60FPS意味着每16.6毫秒应该渲染一帧，所以浏览器有14帧的空窗期。当任务A结束时，事件循环执行渲染队列中的任务以绘制新帧。

「尽管我们失去了14帧，这并不意味着我们将连续渲染15帧。它只会渲染最后一帧」。

这就是当JS中有长任务执行时，会阻塞页面的渲染，如果这14帧中间操作了过多的DOM，页面中就会有一种从第一帧到第十五帧的跳动。这就是为什么我们总是要将长任务拆分成很多小任务的原因。

调用栈（Call Stack）

在Event Loop 可视化解析讲解中我们对调用栈有过介绍。

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案例分析

function D() {
  debugger;
  console.log('前端柒八九');
}

function C() {
  D();
}

function B() {
  C();  
}

function other() {
   // 不在我们考察堆栈上下文中
}

function A() {
  const arr = [];
  while (arr.length < 2) {
    arr.push(other());
  }
  B();
}
console.log(A());

将上面的代码贴到devTool-Console或者devTool-Source-Snippet中执行。这段代码将在debugger处暂停。

这里多提一嘴，关于如何在浏览器中优雅的调试断点，可以参考你会在浏览器中打断点吗？我会！

• console.log(A());，它是调用栈的开始。
• 然后我们进入 A 函数，并多次调用 other。在我们到达debugger之前，这个函数不会出现在调用栈中，因为它在我们到达调试器之前就结束了。

这是我们在debugger停止时调用栈的样子：

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图中（anonymous）表示全局作用域,我们没贴出来，它就是指向25行调用栈的入口的。

当调用栈为空时，「当前任务」完成。

微任务

微任务只有两个可能的来源：

微任务有一个主要特征，使它们与其他任务完全不同：

一旦调用栈为空，微任务将立即执行。

微任务可以创建其他微任务，「这些微任务将在调用栈结束时执行」。每个「新的微任务都会推迟执行新的宏任务或新帧的渲染」。

案例分析

在这个例子中，微任务队列中有4个微任务：

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要执行的第一个微任务是A。A花费了200毫秒，而且我们在渲染队列中有任务。然而，它们将被推迟，因为我们仍然有3个微任务。这意味着在执行A后，事件循环将执行微任务B、C，最后是D。当「微任务队列变空时，事件循环渲染新帧」。在这个例子中，这4个微任务花费了0.5秒。在这段时间内，浏览器「UI被阻塞，不可交互」。

后续的微任务可以阻塞网站UI，使页面变得不可交互。

这个微任务特性既可能是优势也可能是劣势。例如，当 MutationObserver 根据DOM更改调用其回调时，用户在回调完成之前看不到页面上的更改。因此，我们可以有效地管理用户看到的内容。

更新后的事件循环图示：

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各自的特性

• 调用栈是用于跟踪「正在被执行」函数的机制，而宏任务队列是用于跟踪「将要被执行」函数的机制。
• 宏任务队列和微任务队列都是「FIFO」(先进先出)的队列结构,这些任务是「同步阻塞」的

4. 在渲染队列中执行的是什么？

其实，在浏览器中渲染页面是有很多步骤的。

同时还涉及多个进程之间的通信。这在之前的页面是如何生成的(宏观角度)有过介绍，这里就不在罗嗦了。

而今天呢，我们从浏览器渲染帧的角度来看到底发生了啥？！其实帧渲染不是一个单一的操作，它有几个阶段，每个阶段都可以分为子阶段。

新帧渲染的基本结构

RequestAnimationFrame（RAF）

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requestAnimationFrame 是一个由浏览器提供的 JavaScript API，用于在下一次「浏览器重绘之前」执行指定的函数。这个函数通常用于执行动画或其他需要高性能更新的任务，因为它会在浏览器的绘制周期内运行，以确保动画的平滑流畅。

特点

样式重新计算（Recalc Style）

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浏览器重新计算应用的样式。此步骤还会计算哪些媒体查询将处于活动状态。

以下操作能触发重新计算包括

• 直接更改，比如 a.styles.left = '10px'
• 通过CSS文件描述的更改，比如 element.classList.add('my-styles-class')。

此过程可能触发整个DOM树的整体计算也可以是局部小范围的计算过程，取决于「被改动的元素的位置」。

• 例如，改动body元素的属性，就会发生整个DOM树的重新计算。

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将元素样式和DOM元素结合起来，就会生成Render Tree

我们可以通过devTool-Performance来检测网站在这步所花费的时间。

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React官网-样式重新计算所花费时间

布局（Layout）

计算每个「可视元素」的位置信息(距离视口的距离和元素本身大小)。并生成对应的Layout Tree。 页面上的DOM元素越多，操作就越复杂。

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React官网-布局所花费时间

触发条件

对于现今「富应用」来讲，做页面中做元素的移动和变更那是家常便饭。以下操作就会触发对应的布局流程

• 读取与元素的大小和位置相关的属性（offsetWidth、offsetLeft、getBoundingClientRect等）。
• 写入与元素的大小和位置相关的属性，除了某些属性（例如 transform 和 will-change）。

这里，我们用一点篇幅来讲一下为何transform/will-change能跳过布局阶段，直接进入合成阶段。

在之前的Chromium 最新渲染引擎--RenderingNG我们讲过，在渲染流程的最开始其实是还有一个步骤叫做animate。

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在渲染流程的图中，用不同颜色来标识该阶段可能会被不同的线程或者进程所执行。

在某些阶段，可能会被多个地方所执行，所以该阶段可能存在多个颜色。

而animate存在两个颜色(绿色和黄色)也就是这一步，会在多个地方被执行。

而让animate能够在黄色阶段，也就是在合成线程中执行，就是我们使用了一些CSS3属性

使用了这些属性后，会跳过前面很多的步骤，例如重新计算样式/布局/重绘等阶段。并且，在合成线程进行数据转换后，开启GPU的「硬件加速」。

就这速度，你说能不快吗。

其实，上面的内容在大部分教程中，都是一种铁打不动的定律。使用了transform/will-change开启了GPU硬件加速，所以性能提升了。

强制布局

强制布局（Forced Synchronous Layout 或 Forced Reflow）是Web性能优化领域的一个术语，它指的是浏览器在能够继续「处理后续操作之前，必须完成当前的布局计算」。

当强制执行布局时，浏览器会暂停JS主线程，尽管调用栈不是空的。

有很多我们耳熟能详的操作，都会触发强制布局。

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想了解更多👉触发强制布局的操作[4]。

案例分析

div1.style.height = "200px"; // 更改元素大小
var height1 = div1.clientHeight; // 读取属性

浏览器无法在不重新计算其实际大小的情况下计算div1的clientHeight。在这种情况下，浏览器暂停JS执行并运行：样式以查看应该更改什么，以及布局以重新计算大小。布局不仅计算放置在div1之前的元素，还计算放置在div1之后的元素。现代浏览器通过优化计算，使得在每次都不必重新计算整个DOM树，但在糟糕的情况下仍然会发生。重新计算的过程称为「layout shift」。

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浏览器尽量不在每次都强制执行布局。因此，它们对操作进行分组：

div1.style.height = "200px";

var height1 = div1.clientHeight; //