知道 html5 Web Worker 标准吗?能实现 JavaScript 的多线程?

js 为什么是单线程?

主要是因为最开始 javascript 是单纯的服务于浏览器的一种脚步语言(那时候没有 nodejs)。浏览器是为了渲染网页,通过 dom 与用户交互,如果一个线程需要给 dom 执行 click 事件,而另一个进程要删除这个 dom,这 2 个动作可能同时进行,也可能先后进行(像 java,c# 等语言中会引入锁的概念,这样会变得异常复杂),那么就会造成很多不可预料的错误。

所以,为了避免复杂性,从一诞生,JavaScript 就是单线程,这已经成了这门语言的核心特征。为了利用多核 CPU 的计算能力,HTML5 提出 Web Worker 标准,允许 JavaScript 脚本创建多个线程,但是子线程完全受主线程控制,且不得操作 DOM。所以,这个新标准并没有改变 JavaScript 单线程的本质。

浏览器是多线程的

浏览器打开一个 tab,就会单独开一个进程,这个进程包含多个线程,参考:JS 运行机制
主要包含的线程有:

  1. GUI 渲染线程

负责渲染浏览器界面,解析 HTML,CSS,构建 DOM 树和 RenderObject 树,布局和绘制等。
当界面需要重绘(Repaint)或由于某种操作引发回流(reflow)时,该线程就会执行
注意,GUI 渲染线程与 JS 引擎线程是互斥的,当 JS 引擎执行时 GUI 线程会被挂起(相当于被冻结了),GUI 更新会被保存在一个队列中等到 JS 引擎空闲时立即被执行。

  1. JS 引擎线程

也称为 JS 内核,负责处理 JavaScript 脚本程序。(例如 V8 引擎)
JS 引擎线程负责解析 JavaScript 脚本,运行代码。
JS 引擎一直等待着任务队列中任务的到来,然后加以处理,一个 Tab 页(renderer 进程)中无论什么时候都只有一个 JS 线程在运行 JS 程序
同样注意,GUI 渲染线程与 JS 引擎线程是互斥的,所以如果 JS 执行的时间过长,这样就会造成页面的渲染不连贯,导致页面渲染加载阻塞。

  1. 事件触发线程

归属于浏览器而不是 JS 引擎,用来控制事件循环(可以理解,JS 引擎自己都忙不过来,需要浏览器另开线程协助)
当 JS 引擎执行代码块如 setTimeOut 时(也可来自浏览器内核的其他线程,如鼠标点击、AJAX 异步请求等),会将对应任务添加到事件线程中
当对应的事件符合触发条件被触发时,该线程会把事件添加到待处理队列的队尾,等待 JS 引擎的处理
注意,由于 JS 的单线程关系,所以这些待处理队列中的事件都得排队等待 JS 引擎处理(当 JS 引擎空闲时才会去执行)

  1. 定时触发器线程

传说中的 setIntervalsetTimeout 所在线程
浏览器定时计数器并不是由 JavaScript 引擎计数的,(因为 JavaScript 引擎是单线程的, 如果处于阻塞线程状态就会影响记计时的准确)
因此通过单独线程来计时并触发定时(计时完毕后,添加到事件队列中,等待 JS 引擎空闲后执行)
注意,W3C 在 HTML 标准中规定,规定要求 setTimeout 中低于 4ms 的时间间隔算为 4ms。

  1. 异步 http 请求线程

XMLHttpRequest 在连接后是通过浏览器新开一个线程请求
将检测到状态变更时,如果设置有回调函数,异步线程就产生状态变更事件,将这个回调再放入事件队列中。再由 JavaScript 引擎执行。

上面列出的线程之间,有一个重要的规则是:GUI 渲染线程与 JS 引擎线程互斥,那么我们可以得出以下结论 JS 阻塞页面加载,那么在 js 运行的这段时间内,GUI 的渲染会停止,这段时间内的界面交互,DOM 的重绘与回流会停止,会被保存到待执行队列中,直到 js 线程空闲,才会执行这些队列。
我们用下面的一段代码和运行结果来说明这个机制:

<html>
<head>
	<style>
		.box {
			width: 200px;
			height: 200px;
			margin-top: 100px;
			background: #f09;
			animation: bounce 2s linear 0s infinite alternate;
			background-image: linear-gradient(45deg, #3023AE 0%, #f09 100%);
		}
		@keyframes bounce {
			0% {
				border-radius: 40% 60% 72% 28% / 70% 77% 23% 30%;
			}
			100% {
				border-radius: 75% 25% 24% 76% / 13% 15% 85% 87%;
			}
		}
	</style>
</head>
<body>
	<div class="box"></div>
</body>
<script>
	// 计算斐波那契数列,这个数列从第3项开始,每一项都等于前两项之和。
	function recurFib(n) {
		if (n < 2) {
			return n;
		} else {
			return recurFib(n - 1) + recurFib(n - 2)
		}
	}

	window.onload = function () {
		setTimeout(function () {
			console.time("运算耗时:")
			// 计算n为40的结果
			console.log('结果:', recurFib(40))
			console.timeEnd("运算耗时:")
		}, 2000)
		document.getElementsByClassName("box")[0].addEventListener('click', function () {
			console.log('click')
		})
	}
</script>
</html>

运行效果
可以看到,一开始网页和动画正常运行,但是开始执行计算斐波那契数列后,动画就停止了,页面也停止响应鼠标的 click 事件了,直到 recurFib(40) 计算出结果后,动画才开始继续执行,而期间积攒的 click 事件也在一起被执行。这就解释了 GUI 渲染线程与 JS 引擎线程互斥。由于这个弊端 HTML5 提出 Web Worker 标准。

利用 Web Worker 开启一个子线程

Web Worker 有以下几个使用注意点。

1.同源限制
分配给 Worker 线程运行的脚本文件,必须与主线程的脚本文件同源。
2.DOM 限制
Worker 线程所在的全局对象,与主线程不一样,无法读取主线程所在网页的 DOM 对象,也无法使用 documentwindowparent 这些对象。但是,Worker 线程可以 navigator 对象和 location 对象。
3.通信联系
Worker 线程和主线程不在同一个上下文环境,它们不能直接通信,必须通过消息完成。
4.脚本限制
Worker 线程不能执行 alert() 方法和 confirm() 方法,但可以使用 XMLHttpRequest 对象发出 AJAX 请求。
5.文件限制
Worker 线程无法读取本地文件,即不能打开本机的文件系统(file:),它所加载的脚本,必须来自网络。

以上规则引用阮一峰老师的: Web Worker 使用教程
创建 Worker 时,JS 引擎向浏览器申请开一个子线程(子线程是浏览器开的,完全受主线程控制,而且不能操作 DOM)
JS 引擎线程与 worker 线程间通过特定的方式通信(postMessage API,需要通过序列化对象来与线程交互特定的数据)。
下面我们用 worker 的相关 api 来解决上面卡顿的问题。

<!--index.html主线程-->
<html>
<head>
	<style>
		.box {
			width: 200px;
			height: 200px;
			margin-top: 100px;
			background: #f09;
			animation: bounce 2s linear 0s infinite alternate;
			background-image: linear-gradient(45deg, #3023AE 0%, #f09 100%);
		}
		@keyframes bounce {
			0% {
				border-radius: 40% 60% 72% 28% / 70% 77% 23% 30%;
			}
			100% {
				border-radius: 75% 25% 24% 76% / 13% 15% 85% 87%;
			}
		}
	</style>
</head>
<body>
	<div class="box"></div>
</body>
<script>
	window.onload = function () {
		// 创建一个子线程worker实例
		var worker = new Worker('./test.js');
		setTimeout(function () {
			// 通信:向子线程发送消息
			worker.postMessage('start')
		}, 2000)
		worker.addEventListener('message', function(res) {
			//  通信:收到子线程消息
			console.log('result:',JSON.stringify(res.data));
			// 关闭worker线程
			worker.terminate();
		})
		document.getElementsByClassName("box")[0].addEventListener('click', function () {
			console.log('click')
		})
	}
</script>
</html>
// test.js子线程代码
// 通过监听message来接受主线程中的消息
addEventListener('message', function(res) {
    // 子线程向主线程中发生消息
    // 计算斐波那契数列,这个数列从第3项开始,每一项都等于前两项之和。
	if(res.data === 'start') {
		// 开始运算
		console.log('收到主线程消息,开始运算')
		function recurFib(n) {
			if(n < 2){
				// 主动关闭子线程
				// this.close()
				return n ;
			}else {
				return recurFib(n-1)+recurFib(n-2)
			}
		}
		console.time("运算时间:")
		// 计算n为40的结果
		var count = recurFib(40)
		console.timeEnd("运算时间:")
		// 向主线程发送消息
		console.log('运算完毕,发送消息给主线程!')
		this.postMessage(count);
	}
})

运行结果:
7.png

可以看到整个运行过程动画没有卡顿,也能响应 click 事件,所以在我们遇到大型计算的时候,请单独开启一个 worker 子线程来解决 js 线程阻塞 GUI 线程的问题。上文中只涉及到一部分 worker API。关于 worker 更详细更具体的用法可以参见: Web Worker 使用教程

兼容性

1.png
可以看到除了 Opera Mini 浏览器,连 IE 都能使用了,所以兼容性问题不大。

总结

  1. 由于 javaScript 的最初设计特点,采用了单线程的运行机制。
  2. 浏览器是多个线程相互协作来工作的,但是 GUI 渲染线程与 JS 引擎线程互斥
  3. js 线程在运行时,会锁死 GUI 渲染线程,为了利用多核 CPU 的计算能力,HTML5 提出 Web Worker 标准。
  4. Web Worker 的使用有一些限制,比如说:同源限制,DOM 限制,文件限制等,但能解决在 js 需要大量计算工作时,页面卡顿的问题。
  5. Web Worker 实际上是 js 线程的一个子线程,理论上 js 还是单线程的。
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