【笔记】《浏览器原理与实践》1.基础

1.基础

1.1 进程与线程

进程（Process）是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础。在早期面向进程设计的计算机结构中，进程是程序的基本执行实体；在当代面向线程设计的计算机结构中，进程是线程的容器。程序是指令、数据及其组织形式的描述，进程是程序的实体 ——百度百科

线程（英语：thread）是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务。在Unix System V及SunOS中也被称为轻量进程（lightweight processes），但轻量进程更多指内核线程（kernel thread），而把用户线程（user thread）称为线程。

一个进程就是一个程序的运行实例。详细解释就是，启动一个程序的时候，操作系统会为该程序创建一块内存，用来存放代码、运行中的数据和一个执行任务的主线程，我们把这样的一个运行环境叫进程。

线程是依附于进程的，而进程中使用多线程并行处理能提升运算效率。

进程和线程之间的关系：

进程中的任意一线程执行出错，都会导致整个进程的崩溃；
线程之间共享进程中的数据
当一个进程关闭之后，操作系统会回收进程所占用的内存
进程之间的内容相互隔离

1.2 单进程浏览器

单进程浏览器是指浏览器的所有功能模块都是运行在同一个进程里，这些模块包含了网络、插件、JavaScript 运行环境、渲染引擎和页面等。其实早在 2007 年之前，市面上浏览器都是单进程的。

单进程浏览器的问题：

不稳定：早期浏览器需要借助于插件来实现诸如 Web 视频、Web 游戏等各种强大的功能，但是插件是最容易出问题的模块，并且还运行在浏览器进程之中，所以一个插件的意外崩溃会引起整个浏览器的崩溃。

除了插件之外，渲染引擎模块也是不稳定的，通常一些复杂的 JavaScript 代码就有可能引起渲染引擎模块的崩溃。和插件一样，渲染引擎的崩溃也会导致整个浏览器的崩溃。
不流畅：所有页面的渲染模块、JavaScript 执行环境以及插件都是运行在同一个线程中的，这就意味着同一时刻只能有一个模块可以执行。因此脚本或插件的执行会让单进程浏览器变卡顿。
不安全：插件可以使用 C/C++ 等代码编写，通过插件可以获取到操作系统的任意资源，当你在页面运行一个插件时也就意味着这个插件能完全操作你的电脑。如果是个恶意插件，那么它就可以释放病毒、窃取你的账号密码，引发安全性问题。

至于页面脚本，它可以通过浏览器的漏洞来获取系统权限，这些脚本获取系统权限之后也可以对你的电脑做一些恶意的事情，同样也会引发安全问题。

1.3 多进程浏览器

早期多进程架构

2008 年 Chrome

从图中可以看出，Chrome 的页面是运行在单独的渲染进程中的，同时页面里的插件也是运行在单独的插件进程之中，而进程之间是通过 IPC 机制进行通信（如图中虚线部分）。

目前多进程架构

最新的 Chrome

最新的 Chrome 进程架构图

其中：

浏览器进程。主要负责界面显示、用户交互、子进程管理，同时提供存储等功能。
渲染进程。核心任务是将 HTML、CSS 和 JavaScript 转换为用户可以与之交互的网页，排版引擎 Blink 和 JavaScript 引擎 V8 都是运行在该进程中，默认情况下，Chrome 会为每个 Tab 标签创建一个渲染进程。出于安全考虑，渲染进程都是运行在沙箱模式下。
GPU 进程。其实，Chrome 刚开始发布的时候是没有 GPU 进程的。而 GPU 的使用初衷是为了实现 3D CSS 的效果，只是随后网页、Chrome 的 UI 界面都选择采用 GPU 来绘制，这使得 GPU 成为浏览器普遍的需求。最后，Chrome 在其多进程架构上也引入了 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进程里面的，直至最近才独立出来，成为一个单独的进程。
插件进程。主要是负责插件的运行，因插件易崩溃，所以需要通过插件进程来隔离，以保证插件进程崩溃不会对浏览器和页面造成影响。

多进程模型提升了浏览器的稳定性、流畅性和安全性，但同样不可避免地带来了一些问题：

更高的资源占用。因为每个进程都会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。
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，会导致现在的架构已经很难适应新的需求了。

question：仅仅打开了 1 个页面，为什么有 4 个进程？

未来面向服务的架构

在 2016 年，Chrome 官方团队使用“面向服务的架构”（Services Oriented Architecture，简称SOA）的思想设计了新的 Chrome 架构。也就是说 Chrome 整体架构会朝向现代操作系统所采用的“面向服务的架构” 方向发展，原来的各种模块会被重构成独立的服务（Service），每个服务（Service）都可以在独立的进程中运行，访问服务（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，更好实现 Chrome 简单、稳定、高速、安全的目标。

Chrome 最终要把 UI、数据库、文件、设备、网络等模块重构为基础服务，类似操作系统底层服务，下面是 Chrome“面向服务的架构”的进程模型图：

Chrome“面向服务的架构”进程模型图

Chrome 正在逐步构建 Chrome 基础服务（Chrome Foundation Service），如果你认为 Chrome 是“便携式操作系统”，那么 Chrome 基础服务便可以被视为该操作系统的“基础”系统服务层。

同时 Chrome 还提供灵活的弹性架构，在强大性能设备上会以多进程的方式运行基础服务，但是如果在资源受限的设备上（如下图），Chrome 会将很多服务整合到一个进程中，从而节省内存占用。

在资源不足的设备上，将服务合并到浏览器进程中

1.4 TCP协议

在衡量 Web 页面性能的时候有一个重要的指标叫“FP（First Paint）”，是指从页面加载到首次开始绘制的时长。这个指标直接影响了用户的跳出率，更快的页面响应意味着更多的 PV、更高的参与度，以及更高的转化率。那什么影响 FP 指标呢？其中一个重要的因素是网络加载速度。

要想优化 Web 页面的加载速度，你需要对网络有充分的了解。而理解网络的关键是要对网络协议有深刻的认识，不管你是使用 HTTP，还是使用 WebSocket，它们都是基于 TCP/IP 的。

在网络中，一个文件通常会被拆分为很多数据包来进行传输，而数据包在传输过程中又有很大概率丢失或者出错。那么如何保证页面文件能被完整地送达浏览器呢？

互联网，实际上是一套理念和协议组成的体系架构。其中，协议是一套众所周知的规则和标准，如果各方都同意使用，那么它们之间的通信将变得毫无障碍。

互联网中的数据是通过数据包来传输的。如果发送的数据很大，那么该数据就会被拆分为很多小数据包来传输。比如你现在听的音频数据，是拆分成一个个小的数据包来传输的，并不是一个大的文件一次传输过来的。

1.IP：把数据包送达目的主机：计算机的地址就称为 IP 地址，访问任何网站实际上只是你的计算机向另外一台计算机请求信息。如果要想把一个数据包从主机 A 发送给主机 B，那么在传输之前，数据包上会被附加上主机 B 的 IP 地址信息，这样在传输过程中才能正确寻址。额外地，数据包上还会附加上主机 A 本身的 IP 地址，有了这些信息主机 B 才可以回复信息给主机 A。这些附加的信息会被装进一个叫 IP 头的数据结构里。IP 头是 IP 数据包开头的信息，包含 IP 版本、源 IP 地址、目标 IP 地址、生存时间等信息。
2.UDP：把数据包送达应用程序：IP 是非常底层的协议，只负责把数据包传送到对方电脑，但是对方电脑并不知道把数据包交给哪个程序，是交给浏览器还是交给王者荣耀？因此，需要基于 IP 之上开发能和应用打交道的协议，最常见的是“用户数据包协议（User Datagram Protocol）”，简称UDP。UDP 中一个最重要的信息是端口号，端口号其实就是一个数字，每个想访问网络的程序都需要绑定一个端口号。通过端口号 UDP 就能把指定的数据包发送给指定的程序了，所以IP 通过 IP 地址信息把数据包发送给指定的电脑，而 UDP 通过端口号把数据包分发给正确的程序。和 IP 头一样，端口号会被装进 UDP 头里面，UDP 头再和原始数据包合并组成新的 UDP 数据包。UDP 头中除了目的端口，还有源端口号等信息。
3.TCP：把数据完整地送达应用程序：对于浏览器请求，或者邮件这类要求数据传输可靠性（reliability）的应用，如果使用 UDP 来传输会存在两个问题：
- 数据包在传输过程中容易丢失；
- 大文件会被拆分成很多小的数据包来传输，这些小的数据包会经过不同的路由，并在不同的时间到达接收端，而 UDP 协议并不知道如何组装这些数据包，从而把这些数据包还原成完整的文件。
基于这两个问题，我们引入 TCP 了。TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。相对于 UDP，TCP 有下面两个特点:
- 对于数据包丢失的情况，TCP 提供重传机制；
- TCP 引入了数据包排序机制，用来保证把乱序的数据包组合成一个完整的文件。
和 UDP 头一样，TCP 头除了包含了目标端口和本机端口号外，还提供了用于排序的序列号，以便接收端通过序号来重排数据包。

一个完整的 TCP 连接的生命周期包括了“建立连接”“传输数据”和“断开连接”三个阶段。

一个 TCP 连接的生命周期

首先，建立连接阶段。这个阶段是通过“三次握手”来建立客户端和服务器之间的连接。TCP 提供面向连接的通信传输。面向连接是指在数据通信开始之前先做好两端之间的准备工作。所谓三次握手，是指在建立一个 TCP 连接时，客户端和服务器总共要发送三个数据包以确认连接的建立。
其次，传输数据阶段。在该阶段，接收端需要对每个数据包进行确认操作，也就是接收端在接收到数据包之后，需要发送确认数据包给发送端。所以当发送端发送了一个数据包之后，在规定时间内没有接收到接收端反馈的确认消息，则判断为数据包丢失，并触发发送端的重发机制。同样，一个大的文件在传输过程中会被拆分成很多小的数据包，这些数据包到达接收端后，接收端会按照 TCP 头中的序号为其排序，从而保证组成完整的数据。
最后，断开连接阶段。数据传输完毕之后，就要终止连接了，涉及到最后一个阶段“四次挥手”来保证双方都能断开连接。

到这里你应该就明白了，TCP 为了保证数据传输的可靠性，牺牲了数据包的传输速度，因为“三次握手”和“数据包校验机制”等把传输过程中的数据包的数量提高了一倍。

question：如何保证页面文件能被完整送达浏览器？

1.5 HTTP请求流程

HTTP 协议，正是建立在 TCP 连接基础之上的。HTTP 是一种允许浏览器向服务器获取资源的协议，是 Web 的基础，通常由浏览器发起请求，用来获取不同类型的文件，例如 HTML 文件、CSS 文件、JavaScript 文件、图片、视频等。

浏览器使用HTTP 协议作为应用层协议，用来封装请求的文本信息；并使用TCP/IP 作传输层协议将它发到网络上，所以在 HTTP 工作开始之前，浏览器需要通过 TCP 与服务器建立连接。也就是说HTTP 的内容是通过 TCP 的传输数据阶段来实现的

TCP 和 HTTP 的关系示意图

HTTP 请求流程示意图

浏览器端发起HTTP请求流程

如果你在浏览器地址栏里键入极客时间网站的地址：http://blog.michealwayne.cn/index.html，那么接下来，浏览器会完成哪些动作呢？下面我们就一步一步详细“追踪”下。

1.构建请求：首先，浏览器构建请求行信息，构建好后，浏览器准备发起网络请求。
1
GET /index.html HTTP1.1
2.查找缓存：在真正发起网络请求之前，浏览器会先在浏览器缓存中查询是否有要请求的文件。其中，浏览器缓存是一种在本地保存资源副本，以供下次请求时直接使用的技术。

当浏览器发现请求的资源已经在浏览器缓存中存有副本，它会拦截请求，返回该资源的副本，并直接结束请求，而不会再去源服务器重新下载。这样做的好处有：
- 缓解服务器端压力，提升性能（获取资源的耗时更短了）；
- 对于网站来说，缓存是实现快速资源加载的重要组成部分。
当然，如果缓存查找失败，就会进入网络请求过程了。
3.准备IP地址和端口：负责把域名和 IP 地址做一一映射关系。这套域名映射为 IP 的系统就叫做“域名系统”，简称DNS（Domain Name System）。第一步浏览器会请求 DNS 返回域名对应的 IP。当然浏览器还提供了DNS 数据缓存服务，如果某个域名已经解析过了，那么浏览器会缓存解析的结果，以供下次查询时直接使用，这样也会减少一次网络请求。

拿到 IP 之后，接下来就需要获取端口号了。通常情况下，如果 URL 没有特别指明端口号，那么 HTTP 协议默认是 80 端口。
4.等待TCP队列：Chrome 有个机制，同一个域名同时最多只能建立 6 个 TCP 连接，如果在同一个域名下同时有 10 个请求发生，那么其中 4 个请求会进入排队等待状态，直至进行中的请求完成。

当然，如果当前请求数量少于 6，会直接进入下一步，建立 TCP 连接。
5.建立TCP连接：排队等待结束之后，终于可以快乐地和服务器握手了，在 HTTP 工作开始之前，浏览器通过 TCP 与服务器建立连接。
6.发送HTTP请求：一旦建立了 TCP 连接，浏览器就可以和服务器进行通信了。而 HTTP 中的数据正是在这个通信过程中传输的。

你可以结合下图来理解，浏览器是如何发送请求信息给服务器的。

HTTP 请求数据格式

首先浏览器会向服务器发送请求行，它包括了请求方法、请求 URI（Uniform Resource Identifier）和 HTTP 版本协议。

发送请求行，就是告诉服务器浏览器需要什么资源，最常用的请求方法是Get。比如，直接在浏览器地址栏键入极客时间的域名（time.geekbang.org），这就是告诉服务器要 Get 它的首页资源。

另外一个常用的请求方法是POST，它用于发送一些数据给服务器，比如登录一个网站，就需要通过 POST 方法把用户信息发送给服务器。如果使用 POST 方法，那么浏览器还要准备数据给服务器，这里准备的数据是通过请求体来发送。

在浏览器发送请求行命令之后，还要以请求头形式发送其他一些信息，把浏览器的一些基础信息告诉服务器。比如包含了浏览器所使用的操作系统、浏览器内核等信息，以及当前请求的域名信息、浏览器端的 Cookie 信息，等等。

服务器端处理HTTP请求流程

HTTP 的请求信息终于被送达了服务器。接下来，服务器会根据浏览器的请求信息来准备相应的内容。

1.返回请求：一旦服务器处理结束，便可以返回数据给浏览器了。你可以通过工具软件 curl 来查看返回请求数据。

服务器响应的数据格式

首先服务器会返回响应行，包括协议版本和状态码。

但并不是所有的请求都可以被服务器处理的，那么一些无法处理或者处理出错的信息，怎么办呢？服务器会通过请求行的状态码来告诉浏览器它的处理结果，比如：
- 最常用的状态码是 200，表示处理成功；
- 如果没有找到页面，则会返回404。
状态码类型很多，这里我就不过多介绍了，网上有很多资料，你可以自行查询和学习。

随后，正如浏览器会随同请求发送请求头一样，服务器也会随同响应向浏览器发送响应头。响应头包含了服务器自身的一些信息，比如服务器生成返回数据的时间、返回的数据类型（JSON、HTML、流媒体等类型），以及服务器要在客户端保存的 Cookie 等信息。

发送完响应头后，服务器就可以继续发送响应体的数据，通常，响应体就包含了 HTML 的实际内容。

以上这些就是服务器响应浏览器的具体过程。
2.断开连接：通常情况下，一旦服务器向客户端返回了请求数据，它就要关闭 TCP 连接。不过如果浏览器或者服务器在其头信息中加入了：
1
Connection:Keep-Alive
那么 TCP 连接在发送后将仍然保持打开状态，这样浏览器就可以继续通过同一个 TCP 连接发送请求。保持 TCP 连接可以省去下次请求时需要建立连接的时间，提升资源加载速度。比如，一个 Web 页面中内嵌的图片就都来自同一个 Web 站点，如果初始化了一个持久连接，你就可以复用该连接，以请求其他资源，而不需要重新再建立新的 TCP 连接。
3.重定向：

似乎请求流程快结束了，不过还有一种情况你需要了解下，比如当你在浏览器中打开 baidu.com 后，你会发现最终打开的页面地址是www.baidu.com。

这两个 URL 之所以不一样，是因为涉及到了一个重定向操作。

服务器返回响应行和响应头（含重定向格式）

从图中你可以看到，响应行返回的状态码是 301，状态 301 就是告诉浏览器，我需要重定向到另外一个网址，而需要重定向的网址正是包含在响应头的 Location 字段中，接下来，浏览器获取 Location 字段中的地址，并使用该地址重新导航，这就是一个完整重定向的执行流程。不过也不要认为这种跳转是必然的。如果你打开 https://12306.cn，你会发现这个站点是打不开的。这是因为 12306 的服务器并没有处理跳转，所以必须要手动输入完整的 https://www.12306.com 才能打开页面。

DNS 缓存和页面资源缓存这两块数据是会被浏览器缓存的。其中，DNS 缓存比较简单，它主要就是在浏览器本地把对应的 IP 和域名关联起来，这里就不做过多分析了。

我们重点看下浏览器资源缓存，下面是缓存处理的过程：

缓存查找流程示意图

从上图的第一次请求可以看出，当服务器返回HTTP 响应头给浏览器时，浏览器是通过响应头中的 Cache-Control 字段来设置是否缓存该资源。通常，我们还需要为这个资源设置一个缓存过期时长，而这个时长是通过 Cache-Control 中的 Max-age 参数来设置的，比如上图设置的缓存过期时间是 2000 秒。

1	Cache-Control:Max-age=2000

这也就意味着，在该缓存资源还未过期的情况下, 如果再次请求该资源，会直接返回缓存中的资源给浏览器。

但如果缓存过期了，浏览器则会继续发起网络请求，并且在HTTP 请求头中带上：

1	If-None-Match:"4f80f-13c-3a1xb12a"

服务器收到请求头后，会根据 If-None-Match 的值来判断请求的资源是否有更新。

如果没有更新，就返回 304 状态码，相当于服务器告诉浏览器：“这个缓存可以继续使用，这次就不重复发送数据给你了。”
如果资源有更新，服务器就直接返回最新资源给浏览器。

questions: 为什么通常在第一次访问一个站点时，打开速度很慢，当再次访问这个站点时，速度就很快了？当登录过一个网站之后，下次再访问该站点，就已经处于登录状态了，这是怎么做到的呢？

登录状态是如何保持的。

用户打开登录页面，在登录框里填入用户名和密码，点击确定按钮。点击按钮会触发页面脚本生成用户登录信息，然后调用 POST 方法提交用户登录信息给服务器。
服务器接收到浏览器提交的信息之后，查询后台，验证用户登录信息是否正确，如果正确的话，会生成一段表示用户身份的字符串，并把该字符串写到响应头的 Set-Cookie 字段里，如下所示，然后把响应头发送给浏览器。

1	Set-Cookie: UID=3431uad;

浏览器在接收到服务器的响应头后，开始解析响应头，如果遇到响应头里含有 Set-Cookie 字段的情况，浏览器就会把这个字段信息保存到本地。比如把UID=3431uad保持到本地。
当用户再次访问时，浏览器会发起 HTTP 请求，但在发起请求之前，浏览器会读取之前保存的 Cookie 数据，并把数据写进请求头里的 Cookie 字段里（如下所示），然后浏览器再将请求头发送给服务器。

1	Cookie: UID=3431uad;

服务器在收到 HTTP 请求头数据之后，就会查找请求头里面的“Cookie”字段信息，当查找到包含UID=3431uad的信息时，服务器查询后台，并判断该用户是已登录状态，然后生成含有该用户信息的页面数据，并把生成的数据发送给浏览器。
浏览器在接收到该含有当前用户的页面数据后，就可以正确展示用户登录的状态信息了。

好了，通过这个流程你可以知道浏览器页面状态是通过使用 Cookie 来实现的。Cookie 流程可以参考下图：

Cookie 流程图

简单地说，如果服务器端发送的响应头内有 Set-Cookie 的字段，那么浏览器就会将该字段的内容保持到本地。当下次客户端再往该服务器发送请求时，客户端会自动在请求头中加入 Cookie 值后再发送出去。服务器端发现客户端发送过来的 Cookie 后，会去检查究竟是从哪一个客户端发来的连接请求，然后对比服务器上的记录，最后得到该用户的状态信息。