CPU、GPU、内存以及多进程架构
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本文翻译自 Google 的官方文档。该系列共 4 篇文章，主题为从内部观察现代浏览器（Chrome），主要介绍浏览器的内部架构，以及浏览器从输入 URL 到页面呈现的全过程。
前言
作为本系列的第一篇，我们先来了解一下计算机的核心术语和 Chrome 的多进程架构模型。
计算机的核心——CPU & GPU
在了解浏览器是如何运行之前，我们必须对它所处的运行环境有所了解，毕竟浏览器是基于这些硬件的。
CPU 中央处理器
CPU（Central Processing Unit） 是计算机的大脑。一个 CPU 核心就像一名员工，能够逐个处理分配给它的任务。它可以接收包括数学、艺术在内的各种任务，并将处理结果返回给任务的发布者。
过去，大多数 CPU 都是单核的；而目前，我们经常使用多核 CPU，为计算机提供更加强大的计算能力。
GPU 图像处理单元
GPU（Graphics Processing Unit） 是计算机的另一个重要组成部分。与 CPU 不同，GPU 更擅长处理简单任务，同时一个任务可以由多个 GPU 核心共同处理。
GPU 顾名思义，它的出现就是为了处理图像任务。我们常说的“使用 GPU”“GPU 支持”，就是使用 GPU 实现快速渲染和平滑交互。近些年，随着 GPU 的迅速发展，越来越多的计算任务可以单独运行在 GPU 上。
计算机的三层架构
当你在计算机或手机上打开一个应用时，CPU 和 GPU 会为应用提供计算能力。但是，应用不能直接调用 CPU 或 GPU，必须通过操作系统提供的相关 API 来处理任务。
进程（Process）& 线程（Thread）
在深入了解浏览器（Chrome）前，我们还需要了解操作系统提供的两个概念：进程（Process）和线程（Thread）。
进程可以被认为是应用的执行程序，而线程则由进程创建，执行进程所分配的部分任务。
当你打开一个应用程序时，一个进程就会被创建，该进程还可能创建多个线程来帮助它执行程序。
当一个进程被操作系统创建时，操作系统同时会为该进程分配一定大小的内存空间，用来存储进程在执行过程中产生的数据。
不同的进程享有不同区域的内存空间，当进程退出时，进程所占用的内存空间也会得到释放。
一个进程可以向操作系统请求启动另一个进程来帮助它执行任务。由于不同进程占用不同的内存空间，所以各个进程所存储的数据并不共享。如果进程间需要进行数据交互，就只能通过 IPC（Inter Process Communication） 的方式。
许多应用程序被设计成多进程，一个重要原因就是：当某个进程无响应时，只需重新启动该进程，而其他进程不会受到影响。
浏览器架构
了解进程和线程后，浏览器是如何使用它们来构建架构的呢？总的来说有两种方式：
- 使用一个进程及其创建的多个线程，处理网络请求、页面渲染等任务。
- 创建多个进程来处理不同任务，并通过
IPC进行进程间通信。
不同的浏览器架构有着不同的实现细节，如何实现一个浏览器也没有固定的标准。因此在这个系列中，我们所描述的浏览器架构是针对 Chrome 浏览器的。
Chrome 采用多进程架构。处在顶端的是浏览器进程（主进程），负责渲染基础部分的 UI，以及协调其他进程处理浏览器中的不同任务。主进程会根据选项卡的情况创建多个渲染进程。Chrome 会为每个选项卡创建一个渲染进程来处理渲染任务，也会尝试为每个站点创建单独的进程，包括 iframe。
不同进程处理的任务
下表展示了进程名称及其承担的任务：
| 进程名 | 任务 |
|---|---|
Browser（主进程） |
Chrome 最基础的进程，控制标签栏、地址栏、书签、前进后退按钮，以及网络请求和文件访问等基础功能 |
Renderer（渲染进程） |
控制每一个选项卡的窗口部分 |
Plugin（插件进程） |
控制网站使用的插件，比如 Flash |
GPU（GPU 进程） |
处理由其他进程发出的 GPU 任务；它被分成不同的进程，渲染浏览器窗口中的不同部分 |
上面是浏览器中的主要进程。浏览器还会创建其他进程，比如 Extension（扩展进程）和 Utility（公共进程）等。如果你想查看到底有多少进程正在运行，可以依次点击浏览器右上角的 More Tools（更多工具）和 Task Manager（任务管理器）。弹出的窗口会详细列出每个进程的 ID、名称，以及占用的内存和 CPU 资源。
多进程架构的优点
之前，我们提到过 Chrome 会为每个选项卡开启一个进程，那么这样做的优点是什么呢？
试想一个简单的场景，你在 Chrome 上打开了 3 个页面，当一个页面崩溃了会发生什么？
假设浏览器中的 3 个页面共用一个渲染进程，那么其中一个页面崩溃，就会导致这个渲染进程崩溃，其他两个页面自然也会挂掉。如果这 3 个页面分别由 3 个渲染进程渲染，那么单个页面崩溃并不会影响另外两个页面。
浏览器多进程架构的另一个好处在于安全和隐私。由于操作系统可以限制进程的权限，浏览器主进程就能创建只拥有特定权限的进程，使其在沙箱中运行。比如，浏览器创建的渲染进程，其文件访问权限就会受到一定限制。
由于每个进程的内存空间都是私有的，而每个进程都会包含一些公共的基础功能（比如 V8，即浏览器的 JavaScript 解释器），所以进程越多，内存消耗越大。如果不采用多进程架构，而使用“进程—线程”的方式，就能减少内存消耗（线程共享进程占用的内存空间）。因此，Chrome 会根据内存和 CPU 的情况预先确定进程数量的限制。一旦达到限制，Chrome 就会使用“进程—线程”的模式来处理新窗口的创建。
节约内存——Chrome 服务化
同样的节约内存策略也适用于整个浏览器的进程架构。Chrome 在后台运行时，会将不同任务分配给不同进程，或将它们整合进同一个进程。
主要的分配任务的策略如下：
- 当硬件资源充足时，
Chrome将不同任务分配给不同进程，以提高运行的稳定性和效率。 - 当硬件资源有限时，
Chrome会将一些进程的功能汇集到一个进程中，从而节约内存。
单独的渲染进程——站点隔离
站点隔离是 Chrome 最近推出的一项功能，它确保每个跨站点的 iframe 都在单独的进程中渲染。我们之前讨论过，浏览器会给每个选项卡分配一个进程，那么跨站点的 iframe 也会由同一个进程渲染。这样一来，跨站点的 iframe 就会和主站点处于同一个进程中，共用同一片内存区域。
在同一个进程中同时渲染 a.com 和 b.com 的内容似乎没有太大问题，因为同源策略是 Web 的核心安全模型，它确保一个站点不能在未经允许的情况下获取另一个站点的数据。但是，随着 Meltdown 和 Spectre 漏洞的出现，我们必须使用进程隔离来确保站点之间相互隔离。在 Chrome 67 版本之后，站点隔离会自动应用在跨站点的 iframe 上。
站点隔离是多年工程积累的成果，远远不是开启一个渲染进程那么简单。它从根本上改变了该 iframe 与其他页面之间的交互方式。比如，打开 DevTools 时，由于 iframe 位于另一个进程，而进程间又相互独立，DevTools 就必须流畅地完成页面内容的获取与合并。即使是简单的查找功能（Ctrl + F），也要通过搜索多个不同的进程来实现。因此，浏览器工程师将该功能的发布视为一个重要的里程碑。
小结
这篇博文大致介绍了以下内容：
- 浏览器的架构模型。
- 多进程模型的优点。
Chrome的服务化，目的在于节约内存。- 站点隔离的实现方式。
下一篇文章，我们将开始深入研究浏览器为了显示页面，是如何搭配使用这些进程和线程的。
