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                        38 浏览器原理（二）：浏览器进程通信与网络渲染详解
                        你好，我是LMOS。

通过前面的学习，你应该对浏览器内的进程和线程已经有了一个大概的印象，也知道了为了避免一些问题，现代浏览器采用了多进程架构。

这节课，我们首先要说的是Chrome中的进程通信。这么多的进程，它们之间是如何进行IPC通信的呢？要知道，如果IPC通信设计得不合理，就会引发非常多的问题。

Chrome如何进行进程间的通信

[上节课]我们提了一下Chrome进程架构，Chrome有很多类型的进程。这些进程之间需要进行数据交换，其中有一个浏览器主进程，每个页面会使用一个渲染进程，每个插件会使用一个插件进程。除此之外，还有网络进程和GPU进程等功能性进程。

进程之间需要进程通信，渲染进程和插件进程需要同网络和GPU等进程通信，借助操作系统的功能来完成部分功能。其次，同一类进程（如多个渲染进程）之间不可以直接通信，需要依赖主进程进行调度中转。

进程与进程之间的通信，也离不开操作系统的支持。在前面讲IPC的时候，我们了解过多种实现方式。这里我们来看看Chrome的源码，Chrome中IPC的具体实现是通过IPC::Channel这个类实现的，具体在 ipc/ipc_channel.cc 这个文件中封装了实现的细节。

但是在查阅代码的过程中，我发现 Chrome 已经不推荐使用IPC::Channel机制进行通信了，Chrome 实现了一种新的 IPC 机制—— Mojo。

目前IPC::Channel 底层也是基于 Mojo 来实现的，但是上层接口和旧的 Chrome IPC 保持兼容，IPC::Channel 这种方式即将被淘汰，所以这里我们先重点关注 Mojo，后面我们再简单了解一下 Chrome IPC 接口。

Mojo

Mojo 是一个跨平台 IPC 框架，它源于 Chromium 项目，主要用于进程间的通信，ChromeOS 用的也是Mojo框架。

Mojo官方文档给出的定义是这样的：

“Mojo是运行时库的集合，这些运行时库提供了与平台无关的通用IPC原语抽象、消息IDL格式以及具有用于多重目标语言的代码生成功能的绑定库，以方便在任意跨进程、进程内边界传递消息。”

在Chromium中，有两个基础模块使用 Mojo，分别是 Services 和 IPC::Channel。

Services 是一种更高层次的 IPC 机制，底层通过 Mojo 来实现。Chromium 大量使用这种IPC机制来包装各种功能服务，用来取代 IPC::Channel ，比如 device 服务，performance 服务，audio 服务，viz 服务等。

Mojo 支持在多个进程之间互相通信，这一点和其他的IPC有很大的不同，其他IPC大多只支持2个进程之间进行通信。

这些由Mojo组成的、可以互相通信的进程就形成了一个网络。在这个网络内，任意两个进程都可以进行通信，并且每个进程只能处于一个 Mojo 网络中，每一个进程内部有且只有一个 Node，每一个 Node 可以提供多个 Port，每个 Port 对应一种服务，这点类似 TCP/IP 中的 IP 地址和端口的关系。一个 Node:port 对可以唯一确定一个服务。

Node 和 Node 之间通过 Channel 来实现通信，在不同平台上 Channel 有不同的实现方式：在Linux上是Domain Socket；在Windows上是Named Pipe；在macOS平台上是 Mach Port。

在 Port 的上一层，Mojo 封装了3个“应用层协议”，分别为MessagePipe，DataPipe和SharedBuffer（这里你是不是感觉很像网络栈，在 TCP 上封装了 HTTP）。整体结构如下图：

我们在 Chromium 代码中使用 Mojo，是不必做 Mojo 初始化相关工作的，因为这部分Chromium 代码已经做好了。如果我们在 Chromium 之外的工程使用 Mojo，还需要做一些初始化的工作，代码如下：

int main(int argc, char** argv) { // 初始化CommandLine，DataPipe 依赖它 base::CommandLine::Init(argc, argv); // 初始化 mojo mojo::core::Init(); // 创建一个线程，用于Mojo内部收发数据 base::Thread ipc_thread("ipc!"); ipc_thread.StartWithOptions( base::Thread::Options(base::MessageLoop::TYPE_IO, 0)); // 初始化 Mojo 的IPC支持，只有初始化后进程间的Mojo通信才能有效
// 这个对象要保证一直存活，否则IPC通信就会断开
mojo::core::ScopedIPCSupport ipc_support( ipc_thread.task_runner(), mojo::core::ScopedIPCSupport::ShutdownPolicy::CLEAN); // ... }

MessagePipe 用于进程间的双向通信，类似UDP，消息是基于数据报文的，底层使用 Channel通道；SharedBuffer 支持双向块数据传递，底层使用系统 Shared Memory 实现；DataPipe 用于进程间单向块数据传递，类似TCP，消息是基于数据流的，底层使用系统的 Shared Memory实现。

一个 MessagePipe 中有一对 handle，分别是 handle0 和 handle1，MessagePipe 向其中一个handle写的数据可以从另外一个handle读出来。如果把其中的一个 handle 发送到另外一个进程，这一对 handle 之间依然能够相互收发数据。

Mojo 提供了多种方法来发送 handle 到其他的进程，其中最简单的是使用 Invitation。要在多个进程间使用 Mojo，必须先通过 Invitation 将这些进程“连接”起来，这需要一个进程发送Invitation，另一个进程接收 Invitation。

发送Invitation的方法如下：

// 创建一条系统级的IPC通信通道 // 在Linux上是 Domain Socket, Windows 是 Named Pipe，macOS是Mach Port，该通道用于支持跨进程的消息通信 mojo::PlatformChannel channel; LOG(INFO) << "local: " << channel.local_endpoint().platform_handle().GetFD().get() << " remote: " << channel.remote_endpoint().platform_handle().GetFD().get(); mojo::OutgoingInvitation invitation; // 创建1个Ｍessage Pipe用来和其他进程通信 // 这里的 pipe 就相当于单进程中的pipe.handle0 // handle1 会被存储在invitation中，随后被发送出去 // 可以多次调用，以便Attach多个MessagePipe到Invitation中 mojo::ScopedMessagePipeHandle pipe = invitation.AttachMessagePipe("my raw pipe"); LOG(INFO) << "pipe: " << pipe->value(); base::LaunchOptions options; base::CommandLine command_line( base::CommandLine::ForCurrentProcess()->GetProgram()); // 将PlatformChannel中的RemoteEndpoint的fd作为参数传递给子进程 // 在posix中，fd会被复制到新的随机的fd，fd号改变 // 在windows中，fd被复制后会直接进行传递，fd号不变 channel.PrepareToPassRemoteEndpoint(&options, &command_line); // 启动新进程 base::Process child_process = base::LaunchProcess(command_line, options); channel.RemoteProcessLaunchAttempted(); // 发送Invitation mojo::OutgoingInvitation::Send( std::move(invitation), child_process.Handle(), channel.TakeLocalEndpoint(), base::BindRepeating( [](const std::string& error) { LOG(ERROR) << error; }));

在新进程中接收 Invitation 的方法如下：

// Accept an invitation. mojo::IncomingInvitation invitation = mojo::IncomingInvitation::Accept( mojo::PlatformChannel::RecoverPassedEndpointFromCommandLine( *base::CommandLine::ForCurrentProcess())); // 取出 Invitation 中的pipe mojo::ScopedMessagePipeHandle pipe = invitation.ExtractMessagePipe("my raw pipe"); LOG(INFO) << "pipe: " << pipe->value();

上面使用 Mojo 的方法是通过读写原始的 buffer ，还是比较原始的。- Chromium 里面使用了更上层的 bindings 接口来进行 IPC 通信。它先定义了一个 mojom 的接口文件，然后生成相关的接口cpp代码。发送方调用cpp代码接口，接收方去实现cpp代码接口。这种用法类似 Protocol Buffers。

我们不需要显式地去建立进程间的IPC连接，因为这些Chromium代码已经做好了。Chromium的每个进程都有一个Service Manage，它管理着多个Service。每个Server又管理着多个Mojo接口。在Chromium中，我们只需要定义Mojo接口，然后在恰当的地方去注册接口、实现接口即可。

legacy IPC

说完Mojo，我还想带你简单看一下 legacy IPC。虽然它已经被废弃掉，但是目前还有不少逻辑仍在使用它，你可以在这里看到目前还在使用它的部分，都是一些非核心的消息。所以，我们还是要大致理解这种用法。

后面这张图是官方的经典图解：

我们看到：每个Render进程都有一条Legacy IPC 通过 Channel 和 Browser 连接，ResourceDispacher通过 Filter 同 Channel进行连接。IPC 里面有几个重要的概念：

IPC::Channel：一条数据传输通道，提供了数据的发送和接收接口； IPC::Message：在Channel中传输的数据，主要通过宏来定义新的Message； IPC::Listener：提供接收消息的回调，创建Channel必须提供一个Listener； IPC::Sender：提供发送IPC::Message的Send方法，IPC::Channel就实现了IPC::Sender接口； IPC::MessageFilter：也就是Filter，用来对消息进行过滤，类似管道的机制，它所能过滤的消息必须由其他Filter或者Listener传给它； IPC::MessageRouter：一个用来处理 Routed Message 的类。

Legacy IPC的本质就是通过IPC::Channel接口发送IPC::Message，IPC::Channel是封装好的类，IPC::Message需要用户自己定义。

IPC::Message 有两类，一类是路由消息 “routed message”，一类是控制消息 “control message”。

唯一不一样的就是 routing_id() 不同，每一个 IPC::Message都会有一个 routing_id，控制消息的 routing_id 始终是 MSG_ROUTING_CONTROL ，这是一个常量。除此之外，所有 routing_id 不是这个常量的消息，都是路由消息。

网页渲染的流程

前面我们讲了浏览器的架构，进程/线程模型以及浏览器内的 IPC 通信实现，有了这些铺垫，我们再来理解浏览器内部的进程模型的工作机制，就更容易了。进程通信会伴随着网络渲染的过程，所以，我推荐你从实际的渲染过程来观察，也就是搞明白浏览器是怎么借助计算机进行页面图像渲染的。

浏览器接收到用户在地址栏输入的URL以后，浏览器的网络进程会利用操作系统内核网络栈进行资源获取。在第一季的网络篇，我们曾经用了一节课的时间讲解[网络数据包是在网络中如何流转的]。如果你想要详细了解，可以去看看。这里我们着重关注浏览器收到响应后的渲染过程。

在浏览器启动后，浏览器会通过监听系统的某个指定端口号，监听数据的变化。在浏览器收到网络数据包后，会根据返回的 Content-Type 字段决定后续的操作，如果是HTML，那么浏览器则会进入渲染的流程。

在渲染过程中，主要工作交由渲染进程处理，我们可以简要分为几个部分：建立数据传输管道、构建DOM树、布局阶段、绘制以及合成渲染。下面，我们分别进行讲解。

建立数据传输管道

当网络进程接收到网络上出来的 HTML 数据包的时候，渲染进程不会等网络进程完全接受完数据，才开始渲染流程。为了提高效率，渲染进程会一边接收一边解析。所以，渲染进程在收到主进程准备渲染的消息后，会使用Mojo接口，通过边解析变接收数据的方式，和网络进行IPC通信，建立数据传输的管道，将数据提交到渲染进程。

构建 DOM 树

渲染进程收到的是 HTML 的字符串，是一种无法进程结构化操作的数据，于是我们需要将纯文本转为一种容易操作、有结构的数据 —— DOM 树。

DOM树本质上是一个以 document 为根节点的多叉树，DOM 树是结构化、易操作的，同样浏览器也会提供接口给到开发者，浏览器通过 JS 语言来操作 DOM 树，这样就可以动态修改页面内容了。

在渲染进程的主线程内部，存在一个叫 HTML解析器（HTMLParser）的东西，想要将文本解析为 DOM ，离不开它的帮助。HTML 解析器会将 HTML 的字节流，通过分词器转为 Token 流，其中维护了一个栈结构，通过不断的压栈和出栈，生成对应的节点，最终生成 DOM 结构。

在 DOM 解析的过程中当解析到标签时，它会暂停 HTML 的解析，渲染进程中的 JS 引擎加载、解析和执行 JavaScript 代码完成后，才会继续解析。

在 JS 解析的过程中，JS 是可能进行 CSS 操作的，所以在执行 JS 前还需要解析引用的 CSS 文件，生成 CSSOM 后，才能进行 JS 的解析。CSSOM 是 DOM 树中每个节点的具体样式和规则对应的树形结构，在构建完 CSSOM 后，要先进行 JS 的解析执行，然后再进行 DOM 树的构建。

布局阶段 —— layout

这时已经构建完 DOM 树和 CSSOM 树，但是还是无法渲染，因为目前渲染引擎拿到的只是一个树形结构，并不知道具体在浏览器中渲染的具体位置。

布局就是寻找元素几何形状的过程，具体就是主线程遍历 DOM 和计算样式，并创建包含 xy 坐标和边界框大小等信息的布局树。

布局树可能类似于 DOM 树的结构，但它只包含与页面上可见内容相关的信息。比如说，布局树构建会剔除掉内容，这些内容虽然在 DOM 树上但是不会显示出来，如属性为：display: none的元素；其次，布局树还会计算出布局树节点的具体坐标位置。

绘制

渲染进程拿到布局树已经有具体节点的具体位置，但是还缺少一些东西，就是层级。我们知道，页面是类似 PS 的图层，是有图层上下文顺序的，而且还有一些 3D 的属性，浏览器内核还需要处理这些专图层，并生成一棵对应的图层树（LayerTree）。

有了图层的关系，就可以开始准备绘制了，渲染进程会拆分出多个小的绘制指令，然后组装成一个有序的待绘制列表。

合成渲染

从硬件层面看，渲染操作是由显卡进行的，于是浏览器将具体的绘制动作，转化成待绘制指令列表。

浏览器渲染进程中的合成线程，会将数据传输到栅格化线程池，从而实现图块的栅格化，最终把生成图块的指令发送给GPU。然后，在GPU中执行生成图块的位图，并保存在GPU的内存中。

此时显示器会根据显示器的刷新率，定期从显卡的内存中读取数据。这样，图像就可以正常显示，被我们看到了。

浏览器渲染的流程比较复杂，其中的细节也比较多，如果要详细分析，还可以拆成一篇超长篇幅，所以这里我们只是了解简单过程。你如果想要了解完整过程，可以阅读拓展材料中的 Chrome 开发者的官方博客。

Chromium 的文件结构解析

前面课程里，我们通过一些概念和例子简单了解了 WebKit 和 Chromium 的架构，不过这两者是非常庞大的项目，代码量也是非常的巨大，除去其中依赖的第三方库，这两个项目的代码量都是百万级别的，如果直接阅读的话是非常困难的。

但是良好的代码组织结构，很好地帮助了开发者和学习者们。下面我大致介绍一下它们的目录结构及其用处，方便你快速地理解整个项目。

因为里面的一二级目录非常多和深，所以我们把焦点放在核心的部分即可。我们可以通过 GitHub 将 Chromium 的源码下载下来阅读，但是源码非常大，如果你不想下载，可以通过这个链接 访问在线版本。

├── android_webview - 安卓平台webview的 src/content 目录所需要的接口 ├── apps - chrome打包 apps 的代码 ├── base - 基础工具库，所有的子工程公用 ├── build - 公用的编译配置 ├── build_overrides // ├── cc - 合成器 ├── chrome - chrome 相关的稳定版本实现比如渲染进程中的某些API 的回调函数和某些功能实现 ├── app - 程序入口 ├── browser - 主进程 ├── renderer - 渲染进程 ... ├── chromecast ├── chromeos - chromeos 相关 ├── components - content层调用的一些组件模块； ├── content - 多进程模型和沙盒实现的代码 ├── app - contentapi 的部分 app 接口 ├── browser - 主进程的实现 ├── common - 基础公共库 ├── gpu - gpu 进程实现 ├── ppapi_plugin - plugin 进程实现 ├── public - contentapi 接口 ├── renderer - 渲染进程实现 ... ├── courgette ├── crypto - 加密相关 ├── device - 硬件设备的api抽象层 ├── docs - 文档 ├── gpu - gpu 硬件加速的代码 ├── headless - 无头模式，给 puppeteer 使用 ├── ipc - ipc 通信的实现，包括 mojo 调用和 ChromeIPC ├── media - 多媒体相关的模块 ├── mojo - mojo 底层实现 ├── native_client_sdk ├── net - 网络栈相关 ├── pdf - pdf 相关 ├── ppapi - ppapi 代码 ├── printing - 打印相关 ├── sandbox - 沙箱项目，安全用防止利用漏洞攻击操作系统和硬件 ├── services ├── skia - Android 图形库，直接从 Android 代码树中复制过来的 ├── sql - 本地数据库实现 ├── storage - 本地存储实现 ├── third_party - 三方库 ├── Webkit ... ├── tools ├── ui - 渲染布局的基础框架 ├── url - url 解析和序列化 └── v8 - V8 引擎

重点回顾

今天，我们学习了 Chrome 下的多进程之间的协作方式。

老版本的 Chrome 使用 Legacy IPC 进行 IPC 通信，它的本质就是通过 IPC::Channel 接口发送 IPC::Message。而新版本的 Chrome 使用了 Mojo 进行 IPC 通信，Mojo 是源于 Chrome 的 IPC 跨平台框架。Chrome 在不同的操作系统下的 IPC 实现方式有所不同，在Linux上是 Domain Socket，Windows 是 Named Pipe，macOS是Mach Port。

之后，我们通过网页渲染的例子深入了解了，不同进程之间如何协作来进行渲染。最后我给你列举了 Chrome 项目的基本目录结构，如果你对其感兴趣，可以自行下载源码，深入探索。

这节课的导图如下，供你参考：

扩展阅读

浏览器是一个极为庞大的项目，仅仅通过两节课的内容，想要完全了解浏览器的特性是不太可能的。希望这两节课能抛砖引玉，更多的内容需要你自己去进行探索。

这里我为你整理了一些参考资料，如果你能够认真阅读，相信会获得意想不到的收获。

首先是 Chromium 官方的设计文档，包含了 Chromium and Chromium OS 的设计思维以及对应源码。

其次是 Chrome 开发者的官方博客，里面的系列文章详细介绍了 Chrome 渲染页面的工作流程。

还有Mojo 的官方文档，从这里你可以了解Mojo 的简单使用以及实现。

最后就是《WebKit技术内幕》，这本书详细介绍了WebKit的渲染引擎和 JavaScript 引擎的工作原理

思考题

为什么JS代码会阻塞页面渲染？从浏览器设计的角度看，浏览器可以做哪些操作来进行优化？在开发前端应用过程中又可以做哪些优化呢？

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