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CPU、GPU、内存和多进程架构

    本系列一共4篇文章，我们将从高级架构到渲染管道的细节深入了解 Chrome 浏览器。 如果您想知道浏览器如何将您的代码转换为功能性网站，或者您不确定为什么建议使用特定技术来提高性能，那么本系列适合您。作为本系列的第 1 部分，我们将了解核心计算术语和 Chrome 的多进程架构。

一、计算机的核心 CPU 和 GPU

为了了解浏览器运行的环境，我们需要了解一些计算机部件以及它们的作用。

CPU

CPU 是Central Processing Unit的首字母缩写，即中央处理器。CPU可以被认为是你的电脑的大脑，下图为一个办公室工作者，可以一一处理许多不同的任务，它可以处理从数学到艺术的所有事情，同时知道如何回复客户电话。过去大多数 CPU 都是单芯片，一个内核就像是同一个芯片中的另一个 CPU；在现代硬件中，会有多个内核，为您的手机和笔记本电脑提供更多的计算能力。

$\text{图}1\text{：}4\text{个}CPU\text{内核作为办公室工作人员坐在每个办公桌前处理他们进来的任务}$图1：4个CPU内核作为办公室工作人员坐在每个办公桌前处理他们进来的任务

GPU

GPU 是Graphics Processing Unit的首字母缩写，即图形处理单元。GPU计算机的另一部分，GPU 擅长处理简单的任务，并且同时跨多个内核。顾名思义，它最初是为处理图形而开发的，因为它的渲染快速和交互流畅。最近几年，通过 GPU 加速计算，越来越多的计算可以单独使用 GPU。

$\text{图}2\text{：许多带有扳手的}GPU\text{内核在处理一个有限的任务}$图2：许多带有扳手的GPU内核在处理一个有限的任务

当您在计算机或手机上启动应用程序，应用程序会使用操作系统提供的机制在 CPU 和 GPU 上运行。

$\text{图}3\text{：三层计算机体系结构。底部是机器硬件，中间是操作系统，顶部是应用程序。}$图3：三层计算机体系结构。底部是机器硬件，中间是操作系统，顶部是应用程序。

二、在进程和线程上执行程序

在深入研究浏览器架构之前要掌握的另一个概念是进程和线程，进程可以被描述为应用程序的执行程序，线程是存在于进程内部，并执行其进程程序的任何部分。

当您启动应用程序时，就会创建一个进程。 程序可能会创建线程来帮助它工作。操作系统为进程提供了一块“内存块”以供使用，并且所有应用程序状态都保存在该私有内存空间中。当您关闭应用程序时，该进程也会消失，操作系统会释放内存。

$\text{图}4\text{：进程作为边界框，线程作为在进程内游动的抽象鱼}$图4：进程作为边界框，线程作为在进程内游动的抽象鱼

一个进程可以要求操作系统启动另一个进程来运行不同的任务。 发生这种情况时，会为新进程分配内存的不同部分。 如果两个进程需要通信，它们可以使用进程间通信 (IPC) 来实现。 许多应用程序都设计为以这种方式工作，因此如果工作进程没有响应，它可以重新启动，而无需停止运行应用程序不同部分的其他进程。

浏览器架构

那么如何使用进程和线程构建 Web 浏览器呢？ 嗯，它可能是一个进程有许多不同的线程，也可能是许多不同的进程有几个线程通过 IPC 进行通信。

$\text{图}5\text{：进程}\mathrm{/}\text{线程图中的不同浏览器架构}$图5：进程/线程图中的不同浏览器架构

这里需要注意的重要一点是，这些不同的架构是实现细节。 没有关于如何构建 Web 浏览器的标准规范。 一种浏览器的方法可能与另一种完全不同。

在本系列4篇文章中，我们将使用下图中描述的 Chrome 最新架构。顶部是浏览器进程与其他处理应用程序不同部分的进程协调。 对于渲染器进程，会创建多个进程并将其分配给每个选项卡。直到最近，Chrome 还在可能的情况下为每个选项卡提供了一个进程； 现在它尝试为每个站点提供自己的进程，包括 iframe（请参阅站点隔离）。

$\text{图}6\text{：多个层显示在渲染器进程下，代表}Chrome\text{为每个选项卡运行多个渲染器进程。}$图6：多个层显示在渲染器进程下，代表Chrome为每个选项卡运行多个渲染器进程。

哪个进程控制什么？

下面的表格描述了每个 Chrome 进程及其控制的内容：

$\text{图}7\text{：不同的进程指向浏览器}UI\text{的不同部分。}$图7：不同的进程指向浏览器UI的不同部分。

还有更多的进程，如扩展进程和实用程序进程。 如果您想查看 Chrome 中正在运行的进程数，请单击右上角的选项菜单图标（三个点），选择更多工具，然后选择任务管理器。 将会打开一个窗口，其中包含当前正在运行的进程列表以及它们使用的 CPU/内存量。

Chrome 中多进程架构的好处

之前，我提到 Chrome 使用多个渲染器进程。 在最简单的情况下，您可以想象每个选项卡都有自己的渲染器进程。 假设您打开了 3 个选项卡，每个选项卡都由一个独立的渲染器进程运行。 如果一个选项卡变得无响应，那么您可以关闭无响应的选项卡并继续保持其他选项卡的活动。如果所有选项卡都在一个进程上运行，当一个选项卡变得无响应时，所有选项卡都无响应。 这很糟糕。

将浏览器的工作分成多个进程的另一个好处是安全性和沙盒。 由于操作系统提供了一种限制进程权限的方法，因此浏览器可以从某些功能中对某些进程进行沙箱处理。例如，Chrome 浏览器为了处理任意用户输入的进程（如渲染器进程），限制任意文件访问。

因为进程有自己的私有内存空间，所以它们通常包含公共基础设施的副本（比如 V8，它是 Chrome 的 JavaScript 引擎）。 这意味着更多的内存使用量，虽然它们是同一进程内的线程，却无法共享它们。为了节省内存，Chrome 限制了它可以启动的进程数。 该限制取决于您设备的内存和 CPU 能力，但当 Chrome 达到限制时，它会开始在一个进程中运行来自同一站点的多个选项卡。

节省更多内存 - Chrome 中的服务化

同样的方法应用于浏览器进程。 Chrome 正在经历架构变化，以将浏览器程序的每个部分作为一项服务运行，从而可以轻松地拆分为不同的进程或聚合为一个进程。

一般的想法是，当 Chrome 在强大的硬件上运行时，它可能会将每个服务拆分为不同的进程以提供更高的稳定性，但如果它在资源受限的设备上，Chrome 会将服务合并到一个进程中以节省内存占用。 在此更改之前，已在 Android 等平台上使用了类似的方法来合并进程以减少内存使用量。

$\text{图}8\text{：}Chrome\text{服务化将不同服务移入多个进程和单个浏览器进程的示意图。}$图8：Chrome服务化将不同服务移入多个进程和单个浏览器进程的示意图。