浏览器内部机制--多进程架构

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浏览器内部机制--多进程架构

前言

近来攻读浏览器机制部分，我会把接下来Chrome浏览器的整体架构到渲染规则进行一个总结，也是我阅读过程的一个积累。

在接下来的(Part1)中我会总结计算机的核心部分和chrome的多进程架构

CPU和GPU

首先，为了了解浏览器的运行环境，我们先来了解几个计算机的组成部分和他们的作用。

CPU

CPU也就是我们常说的中央处理器。

中央处理器(CPU，Central Processing Unit)是一块超大规模的集成电路，是一台计算机的运算核心和控制核心，它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据，计算机的性能在很大程度上由CPU的性能决定。

如上图所示，当 CPU 知道如何响应人们的需求时，它几乎可以处理各式各样的任务，比如数学，或是艺术。在早些年，CPU 都是由单芯片所构成。每个核就像是在芯片中又存在着另一个 CPU。现代的电子设备基本上都是多核驱动的，这让人们的手机和电脑都具备了更强的计算能力。

GPU

GPU英文全称为Graphic Processing Unit，中文翻译为图形处理器，通常就叫它显卡，GPU是显示卡的大脑，它决定了该显卡的档次和大部分性能。

和 CPU 不同的是，GPU 擅长同时处理跨多核的简单任务。正如它的名字，在设计之初是用来处理图形的。这也正是为什么当图形任务的处理和 GPU 关联起来的时候，通常带来的都是更快速的渲染和更流畅的交互。近年来，随着 GPU 的不断加速和升级，越来越多的计算都可能直接被放在 GPU 上进行了。

当你在手机或电脑上启动一个应用时，CPU 和 GPU 就是为那个应用提供“能量”的两个小兄弟。通常，应用程序通过操作系统提供的“机制”在 CPU 和 GPU 上运行。

在进程和线程上的执行程序

再说浏览器架构之前，我们先要来理解一下进程和线程。

先看下定义：

进程是资源（CPU、内存等）分配的基本单位，具有一定功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动，进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

线程是进程的一个实体，是独立运行和独立调度的基本单位（CPU上真正运行的是线程）。线程自己基本上不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的资源(如程序计数器,一组寄存器和栈)，但是它可与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源。

大段的文字，好像不是很好记忆呀~，所以我们下面去试着理解它~

简单的来说，进程的本质: [- 正在执行的一个程序，可以进程比作一个容器或者工厂 -]

通过上图，方便我们了解并记忆：

进程与进程之间相对独立
进程可以包括几个或者上百个线程在运行。
内存（逻辑内存）包括在进程里面，每个进程的内存都是互相独立的，但从一个更高的层次上看，不同的进程也共享着一个巨大的空间，这个空间就是整个计算机。
进程共有文件/网络句柄（handle），这样可以打开同一个文件，抢同一个网络端口。

从不同的视角来看进程：

线程的本质：[- 真正运行的是一个一个的线程 -]

同理，上图我们知道线程包含：

栈（堆栈）：主线程的main函数、进行函数调用的参数和返回地址、局部变量等内容都会被压入栈内
PC（Program Couner）：程序计数器，PC的指针指向代码所在的内存地址。
TLS（Thread local storage）：分配内存，存放变量

总结

进程是什么？它指的是一个运动中的程序。从名字上看，进程表示的就是进展中的程序。一个程序一旦在计算机里运行起来，它就成为一个进程。进程与进程之间可以通信、同步、竞争，并在一定情况下可能形成死锁。

那么线程是什么？我们知道，进程是运转的程序，是为了在CPU上实现多道编程而发明的一个概念。但是进程在一个时间只能干一件事情。如果想同时干两件事，办法就是线程。线程是进程里面的一个执行上下文或者执行序列。

浏览器架构

所以浏览器是如何通过进程和线程建立起来的呢？有时会是一个进程和多个不同的线程，或是多个进程和少数线程。

首先要注意一点，不同的浏览器之间的架构可能完全不同，至今没有任何一个规范去限制浏览器做成什么样子。

这里以Chrome为例：

浏览器自身进程：负责与其他进程协作，主要负责浏览器应用的不同部分，如网络、内存等。
渲染进程：浏览器会为每个窗口分配一个渲染进程。在最近的一次更新中，如果够用的话，Chrome 干脆给每个窗口分配了一个进程；

而现在，Chrome 在致力于给每个站点一个独立的进程，包括 iframe。

每个进程都在负责什么？

进程

负责什么

浏览器进程

负责 chrome 的浏览器功能，包括导航栏、书签、后退、前进按钮。当然也负责一些虽然看不到但也很重要的部分，比如网络请求和文件访问

渲染进程

窗口内的网站将如何呈现

插件进程

控制着网站可能用到的所有插件，比如 flash

GPU进程

处理 GPU 任务，与其他进程隔离。它被划分为不同的进程因为 GPU 会处理来自多个应用程序的请求并将其绘制在同一个平面上

为什么选择多架构？

之前有提到Chrome是多线程渲染方式。

[- 互不影响 -]。假设你打开了三个浏览器窗口，当其中一个窗口因为某种原因崩掉的时候，你大可以直接关闭这个不再响应的窗口并继续你在其他窗口的工作。我们换一个浏览器，所有的窗口都共享同一个进程，当一个窗口挂掉的时候，所有的窗口都直接挂掉了
[- 安全 -]。由于操作系统提供了一种限制进程“权限”的方法，因此浏览器可以将特定的功能和进程有效的隔离开。比如，Chrome 会限制用来处理用户输入的渲染进程去直接访问文件。

每个进程都有各自的内存空间，因此它们常会各自拥有一份基础功能的拷贝。正因为它们之间不像同一进程中的线程那样能够共享资源，所以就需要更多的内存占用。为了节省内存，Chrome 对其自身可调用的进程在数量上做了限制。具体的限制大小在不同性能的机器上各不相同，唯一确定的是，当达到了这个上限后，Chrome 会将同站点的多个窗口交给同一个进程来管理。

Chrome服务化

为了节省更多的内存，Chrome 正在进行架构层面的整改，目的是将浏览器的各部分功能变成独立的服务，这样就能轻松的将其拆分为不同的进程，也能更加灵活的互相组合。

主要体现两方面：

1.在性能较高的设备上，它会将每个服务分配至不同的进程，以此来获得更强的运行时稳定性和健壮性

2.在性能设备较低的设备，Chrome 会将服务整合在一个进程中，以此来节省内存的占用。像这种通过整合进程资源以此来节省内存的手段，已经被用于 Android 上了

网站隔离

网站隔离是 Chrome 在其 67 桌面版上新增的特性，基本原则是不同的站点各自运行在自己的沙箱环境中，独享进程，并且不允许通信。

Chrome通常把一个标签默认为一个进程，但是如果网页之间存在共享内容，就会共享同一个进程。而网站隔离可消除共享进程，确保不同网站在不同的进程上。以此防止发生类似Spectre和Meltdown的攻击。由于开启网络隔离功能，需要占据10%的内存，因此Chrome当初并没有默认启用，用户只能通过手动设置启用该功能。但是在Chrome67中，网站隔离功能被默认启用。

Spectre和Meltdown漏洞

Spectre和Meltdown是同一漏洞的不同变体的两个名称。允许恶意程序窃取在受影响机器上处理的敏感数据。

Meltdown漏洞影响几乎所有的Intel CPU和部分ARM CPU，破坏了位于用户和操作系统之间的基本隔离，此攻击允许程序访问内存，因此其他程序以及操作系统的敏感信息会被窃取而Spectre则影响所有的Intel CPU和AMD CPU，以及主流的ARM CPU。破坏了不同应用程序之间的隔离。

这两款漏洞几乎影响到过去20年制造的每一种计算设备，从个人电脑、服务器、云计算机服务器到移动端的智能手机，都受到这两组硬件漏洞的影响。

(感兴趣的同学可以深入研究具体这些漏洞会对浏览器产生哪些影响)