浏览器的JavaScript引擎

浏览器的核心是两部分：渲染引擎和JavaScript解释器（又称JavaScript引擎）。

不同的浏览器有不同的渲染引擎，Firefox浏览器为Gecko引擎，Safari为WebKit引擎，Chrome为Blink引擎。它的主要作用是生成网页，通常分成四个阶段。

解析HTML为DOM，解析CSS为CSSOM（CSS Object Model）
将DOM和CSSOM合成一棵渲染树（render tree）
完成渲染树的布局（layout）
将渲染树绘制到屏幕

以上四步并非严格按顺序执行，往往第一步还没完成，第二步和第三步就已经开始了。所以，我们会看到这种情况：网页的HTML代码还没下载完，但浏览器可以显示内容了。

JavaScript引擎的主要作用是，读取网页中的代码，对其处理后运行。

JavaScript代码嵌入网页的方法

在网页中嵌入JavaScript代码有多种方法。

直接添加代码块

通过script标签，可以直接将JavaScript代码嵌入网页。

<script>
// some JavaScript code
</script>

加载外部脚本

script标签也可以指定加载外部的脚本文件。

<script src="example.js"></script>

如果脚本文件使用了非英语字符，还应该注明编码。

<script charset="utf-8" src="example.js"></script>

加载外部脚本和直接添加代码块，这两种方法不能混用。下面代码的console.log语句直接被忽略。

<script charset="utf-8" src="example.js">
  console.log('Hello World!');
</script>

行内代码

除了上面两种方法，HTML语言允许在某些元素的事件属性和a元素的href属性中，直接写入JavaScript。

<div onclick="alert('Hello')"></div>

<a href="javascript:alert('Hello')"></a>

这种写法将HTML代码与JavaScript代码混写在一起，非常不利于代码管理，不建议使用。

script标签的工作原理

正常的网页加载流程是这样的。

浏览器一边下载HTML网页，一边开始解析
解析过程中，发现script标签
暂停解析，网页渲染的控制权转交给JavaScript引擎
如果script标签引用了外部脚本，就下载该脚本，否则就直接执行
执行完毕，控制权交还渲染引擎，恢复往下解析HTML网页

也就是说，加载外部脚本时，浏览器会暂停页面渲染，等待脚本下载并执行完成后，再继续渲染。原因是JavaScript可以修改DOM（比如使用document.write方法），所以必须把控制权让给它，否则会导致复杂的线程竞赛的问题。

如果外部脚本加载时间很长（比如一直无法完成下载），就会造成网页长时间失去响应，浏览器就会呈现“假死”状态，这被称为“阻塞效应”。

为了避免这种情况，较好的做法是将script标签都放在页面底部，而不是头部。这样即使遇到脚本失去响应，网页主体的渲染也已经完成了，用户至少可以看到内容，而不是面对一张空白的页面。

如果某些脚本代码非常重要，一定要放在页面头部的话，最好直接将代码嵌入页面，而不是连接外部脚本文件，这样能缩短加载时间。

将脚本文件都放在网页尾部加载，还有一个好处。在DOM结构生成之前就调用DOM，JavaScript会报错，如果脚本都在网页尾部加载，就不存在这个问题，因为这时DOM肯定已经生成了。

<head>
  <script>
    console.log(document.body.innerHTML);
  </script>
</head>

上面代码执行时会报错，因为此时body元素还未生成。

一种解决方法是设定DOMContentLoaded事件的回调函数。

<head>
  <script>
    document.addEventListener(
      'DOMContentLoaded',
      function(event) {
        console.log(document.body.innerHTML);
      }
    );
  </script>
</head>

另一种解决方法是，使用script标签的onload属性。当script标签指定的外部脚本文件下载和解析完成，会触发一个load事件，可以把所需执行的代码，放在这个事件的回调函数里面。

<script src="jquery.min.js" onload="console.log(document.body.innerHTML)">
</script>

但是，如果将脚本放在页面底部，就可以完全按照正常的方式写，上面两种方式都不需要。

<body>
  <!-- 其他代码  -->
  <script>
    console.log(document.body.innerHTML);
  </script>
</body>

如果有多个script标签，比如下面这样。

<script src="1.js"></script>
<script src="2.js"></script>

浏览器会同时平行下载1.js和2.js，但是，执行时会保证先执行1.js，然后再执行2.js，即使后者先下载完成，也是如此。也就是说，脚本的执行顺序由它们在页面中的出现顺序决定，这是为了保证脚本之间的依赖关系不受到破坏。

当然，加载这两个脚本都会产生“阻塞效应”，必须等到它们都加载完成，浏览器才会继续页面渲染。

Gecko和Webkit引擎在网页被阻塞后，会生成第二个线程解析文档，下载外部资源，但是不会修改DOM，网页还是处于阻塞状态。

解析和执行CSS，也会产生阻塞。Firefox会等到脚本前面的所有样式表，都下载并解析完，再执行脚本；Webkit则是一旦发现脚本引用了样式，就会暂停执行脚本执行，等到样式表下载并解析完，再恢复执行。

此外，对于来自同一个域名的资源，比如脚本文件、样式表文件、图片文件等，浏览器一般最多同时下载六个（IE11允许同时下载13个）。如果是来自不同域名的资源，就没有这个限制。所以，通常把静态文件放在不同的域名之下，以加快下载速度。

defer属性

为了解决脚本文件下载阻塞网页渲染的问题，一个方法是加入defer属性。

<script src="1.js" defer></script>
<script src="2.js" defer></script>

defer属性的作用是，告诉浏览器，等到DOM加载完成后，再执行指定脚本。

浏览器开始解析HTML网页
解析过程中，发现带有defer属性的script标签
浏览器继续往下解析HTML网页，同时并行下载script标签中的外部脚本
浏览器完成解析HTML网页，此时再执行下载的脚本

有了defer属性，浏览器下载脚本文件的时候，不会阻塞页面渲染。下载的脚本文件在DOMContentLoaded事件触发前执行（即刚刚读取完</html>标签），而且可以保证执行顺序就是它们在页面上出现的顺序。

对于内置而不是连接外部脚本的script标签，以及动态生成的script标签，defer属性不起作用。

async属性

解决“阻塞效应”的另一个方法是加入async属性。

<script src="1.js" async></script>
<script src="2.js" async></script>

async属性的作用是，使用另一个进程下载脚本，下载时不会阻塞渲染。

浏览器开始解析HTML网页
解析过程中，发现带有async属性的script标签
浏览器继续往下解析HTML网页，同时并行下载script标签中的外部脚本
脚本下载完成，浏览器暂停解析HTML网页，开始执行下载的脚本
脚本执行完毕，浏览器恢复解析HTML网页

async属性可以保证脚本下载的同时，浏览器继续渲染。需要注意的是，一旦采用这个属性，就无法保证脚本的执行顺序。哪个脚本先下载结束，就先执行那个脚本。使用async属性的脚本文件中，不应该使用document.write方法。

defer属性和async属性到底应该使用哪一个？

一般来说，如果脚本之间没有依赖关系，就使用async属性，如果脚本之间有依赖关系，就使用defer属性。如果同时使用async和defer属性，后者不起作用，浏览器行为由async属性决定。

重流和重绘

渲染树转换为网页布局，称为“布局流”（flow）；布局显示到页面的这个过程，称为“绘制”（paint）。它们都具有阻塞效应，并且会耗费很多时间和计算资源。

页面生成以后，脚本操作和样式表操作，都会触发重流（reflow）和重绘（repaint）。用户的互动，也会触发，比如设置了鼠标悬停（a:hover）效果、页面滚动、在输入框中输入文本、改变窗口大小等等。

重流和重绘并不一定一起发生，重流必然导致重绘，重绘不一定需要重流。比如改变元素颜色，只会导致重绘，而不会导致重流；改变元素的布局，则会导致重绘和重流。

大多数情况下，浏览器会智能判断，将“重流”和“重绘”只限制到相关的子树上面，最小化所耗费的代价，而不会全局重新生成网页。

作为开发者，应该尽量设法降低重绘的次数和成本。比如，尽量不要变动高层的DOM元素，而以底层DOM元素的变动代替；再比如，重绘table布局和flex布局，开销都会比较大。

var foo = document.getElementById(‘foobar’);

foo.style.color = ‘blue’;
foo.style.marginTop = ‘30px’;

上面的代码只会导致一次重绘，因为浏览器会累积DOM变动，然后一次性执行。

下面的代码则会导致两次重绘。

var foo = document.getElementById(‘foobar’);

foo.style.color = ‘blue’;
var margin = parseInt(foo.style.marginTop);
foo.style.marginTop = (margin + 10) + ‘px’;

下面是一些优化技巧。

读取DOM或者写入DOM，尽量写在一起，不要混杂
缓存DOM信息
不要一项一项地改变样式，而是使用CSS class一次性改变样式
使用document fragment操作DOM
动画时使用absolute定位或fixed定位，这样可以减少对其他元素的影响
只在必要时才显示元素
使用window.requestAnimationFrame()，因为它可以把代码推迟到下一次重流时执行，而不是立即要求页面重流
使用虚拟DOM（virtual DOM）库

下面是一个window.requestAnimationFrame()对比效果的例子。

// 重绘代价高
function doubleHeight(element) {
  var currentHeight = element.clientHeight;
  element.style.height = (currentHeight * 2) + ‘px’;
}

all_my_elements.forEach(doubleHeight);

// 重绘代价低
function doubleHeight(element) {
  var currentHeight = element.clientHeight;

  window.requestAnimationFrame(function () {
    element.style.height = (currentHeight * 2) + ‘px’;
  });
}

all_my_elements.forEach(doubleHeight);

脚本的动态嵌入

除了用静态的script标签，还可以动态嵌入script标签。


['1.js', '2.js'].forEach(function(src) {
  var script = document.createElement('script');
  script.src = src;
  document.head.appendChild(script);
});

这种方法的好处是，动态生成的script标签不会阻塞页面渲染，也就不会造成浏览器假死。但是问题在于，这种方法无法保证脚本的执行顺序，哪个脚本文件先下载完成，就先执行哪个。

如果想避免这个问题，可以设置async属性为false。


['1.js', '2.js'].forEach(function(src) {
  var script = document.createElement('script');
  script.src = src;
  script.async = false;
  document.head.appendChild(script);
});

上面的代码依然不会阻塞页面渲染，而且可以保证2.js在1.js后面执行。不过需要注意的是，在这段代码后面加载的脚本文件，会因此都等待2.js执行完成后再执行。

我们可以把上面的写法，封装成一个函数。

(function() {
  var script,
  scripts = document.getElementsByTagName('script')[0];
  function load(url) {
    script = document.createElement('script');
    script.async = true;
    script.src = url;
    scripts.parentNode.insertBefore(script, scripts);
  }
  load('//apis.google.com/js/plusone.js');
  load('//platform.twitter.com/widgets.js');
  load('//s.thirdpartywidget.com/widget.js');
}());

此外，动态嵌入还有一个地方需要注意。动态嵌入必须等待CSS文件加载完成后，才会去下载外部脚本文件。静态加载就不存在这个问题，script标签指定的外部脚本文件，都是与CSS文件同时并发下载的。

加载使用的协议

如果不指定协议，浏览器默认采用HTTP协议下载。

<script src="example.js"></script>

上面的example.js默认就是采用HTTP协议下载，如果要采用HTTPs协议下载，必需写明（假定服务器支持）。

<script src="https://example.js"></script>

但是有时我们会希望，根据页面本身的协议来决定加载协议，这时可以采用下面的写法。

<script src="//example.js"></script>

JavaScript虚拟机

JavaScript是一种解释型语言，也就是说，它不需要编译，可以由解释器实时运行。这样的好处是运行和修改都比较方便，刷新页面就可以重新解释；缺点是每次运行都要调用解释器，系统开销较大，运行速度慢于编译型语言。为了提高运行速度，目前的浏览器都将JavaScript进行一定程度的编译，生成类似字节码（bytecode）的中间代码，以提高运行速度。

早期，浏览器内部对JavaScript的处理过程如下：

读取代码，进行词法分析（Lexical analysis），将代码分解成词元（token）。
对词元进行语法分析（parsing），将代码整理成“语法树”（syntax tree）。
使用“翻译器”（translator），将代码转为字节码（bytecode）。
使用“字节码解释器”（bytecode interpreter），将字节码转为机器码。

逐行解释将字节码转为机器码，是很低效的。为了提高运行速度，现代浏览器改为采用“即时编译”（Just In Time compiler，缩写JIT），即字节码只在运行时编译，用到哪一行就编译哪一行，并且把编译结果缓存（inline cache）。通常，一个程序被经常用到的，只是其中一小部分代码，有了缓存的编译结果，整个程序的运行速度就会显著提升。

不同的浏览器有不同的编译策略。有的浏览器只编译最经常用到的部分，比如循环的部分；有的浏览器索性省略了字节码的翻译步骤，直接编译成机器码，比如chrome浏览器的V8引擎。

字节码不能直接运行，而是运行在一个虚拟机（Virtual Machine）之上，一般也把虚拟机称为JavaScript引擎。因为JavaScript运行时未必有字节码，所以JavaScript虚拟机并不完全基于字节码，而是部分基于源码，即只要有可能，就通过JIT（just in time）编译器直接把源码编译成机器码运行，省略字节码步骤。这一点与其他采用虚拟机（比如Java）的语言不尽相同。这样做的目的，是为了尽可能地优化代码、提高性能。下面是目前最常见的一些JavaScript虚拟机：

Chakra)(Microsoft Internet Explorer)
Nitro/JavaScript Core (Safari)
Carakan (Opera)
SpiderMonkey (Firefox)
V8) (Chrome, Chromium)

单线程模型

JavaScript采用单线程模型，也就是说，所有的任务都在一个线程里运行。这意味着，一次只能运行一个任务，其他任务都必须在后面排队等待。

JavaScript之所以采用单线程，而不是多线程，跟历史有关系。JavaScript从诞生起就是单线程，原因是不想让浏览器变得太复杂，因为多线程需要共享资源、且有可能修改彼此的运行结果，对于一种网页脚本语言来说，这就太复杂了。比如，假定JavaScript同时有两个线程，一个线程在某个DOM节点上添加内容，另一个线程删除了这个节点，这时浏览器应该以哪个线程为准？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，将来也不会改变。

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。

单线程模型带来了一些问题，主要是新的任务被加在队列的尾部，只有前面的所有任务运行结束，才会轮到它执行。如果有一个任务特别耗时，后面的任务都会停在那里等待，造成浏览器失去响应，又称“假死”。为了避免“假死”，当某个操作在一定时间后仍无法结束，浏览器就会跳出提示框，询问用户是否要强行停止脚本运行。

如果排队是因为计算量大，CPU忙不过来，倒也算了，但是很多时候CPU是闲着的，因为IO设备（输入输出设备）很慢（比如Ajax操作从网络读取数据），不得不等着结果出来，再往下执行。JavaScript语言的设计者意识到，这时CPU完全可以不管IO设备，挂起处于等待中的任务，先运行排在后面的任务。等到IO设备返回了结果，再回过头，把挂起的任务继续执行下去。这种机制就是JavaScript内部采用的Event Loop。

Event Loop

所谓Event Loop，指的是一种内部循环，用来排列和处理事件，以及执行函数。Wikipedia的定义是：“Event Loop是一个程序结构，用于等待和发送消息和事件。（a programming construct that waits for and dispatches events or messages in a program.）”

所有任务可以分成两种，一种是同步任务（synchronous），另一种是异步任务（asynchronous）。同步任务指的是，在主线程上排队执行的任务，只有前一个任务执行完毕，才能执行后一个任务；异步任务指的是，不进入主线程、而进入“任务队列”（task queue）的任务，只有“任务队列”通知主线程，某个异步任务可以执行了，该任务才会进入主线程执行。

以Ajax操作为例，它可以当作同步任务处理，也可以当作异步任务处理，由开发者决定。如果是同步任务，主线程就等着Ajax操作返回结果，再往下执行；如果是异步任务，该任务直接进入“任务队列”，主线程跳过Ajax操作，直接往下执行，等到Ajax操作有了结果，主线程再执行对应的回调函数。

想要理解Event Loop，就要从程序的运行模式讲起。运行以后的程序叫做"进程"（process），一般情况下，一个进程一次只能执行一个任务。如果有很多任务需要执行，不外乎三种解决方法。

排队。因为一个进程一次只能执行一个任务，只好等前面的任务执行完了，再执行后面的任务。
新建进程。使用fork命令，为每个任务新建一个进程。
新建线程。因为进程太耗费资源，所以如今的程序往往允许一个进程包含多个线程，由线程去完成任务。

如果某个任务很耗时，比如涉及很多I/O（输入/输出）操作，那么线程的运行大概是下面的样子。

synchronous mode

上图的绿色部分是程序的运行时间，红色部分是等待时间。可以看到，由于I/O操作很慢，所以这个线程的大部分运行时间都在空等I/O操作的返回结果。这种运行方式称为"同步模式"（synchronous I/O）。

如果采用多线程，同时运行多个任务，那很可能就是下面这样。

synchronous mode

上图表明，多线程不仅占用多倍的系统资源，也闲置多倍的资源，这显然不合理。

asynchronous mode

上图主线程的绿色部分，还是表示运行时间，而橙色部分表示空闲时间。每当遇到I/O的时候，主线程就让Event Loop线程去通知相应的I/O程序，然后接着往后运行，所以不存在红色的等待时间。等到I/O程序完成操作，Event Loop线程再把结果返回主线程。主线程就调用事先设定的回调函数，完成整个任务。

可以看到，由于多出了橙色的空闲时间，所以主线程得以运行更多的任务，这就提高了效率。这种运行方式称为"异步模式"（asynchronous I/O）。

这正是JavaScript语言的运行方式。单线程模型虽然对JavaScript构成了很大的限制，但也因此使它具备了其他语言不具备的优势。如果部署得好，JavaScript程序是不会出现堵塞的，这就是为什么node.js平台可以用很少的资源，应付大流量访问的原因。

任务队列

如果有大量的异步任务（实际情况就是这样），它们会在“任务队列”中注册大量的事件。这些事件排成队列，等候进入主线程。本质上，“任务队列”就是一个事件“先进先出”的数据结构。比如，点击鼠标就产生一些列事件，mousedown事件排在mouseup事件前面，mouseup事件又排在click事件的前面。

参考链接

John Dalziel, The race for speed part 2: How JavaScript compilers work
Jake Archibald，Deep dive into the murky waters of script loading
Mozilla Developer Network, window.setTimeout
Remy Sharp, Throttling function calls
Ayman Farhat, An alternative to Javascript's evil setInterval
Ilya Grigorik, Script-injected "async scripts" considered harmful
Axel Rauschmayer, ECMAScript 6 promises (1/2): foundations
Daniel Imms, async vs defer attributes
Craig Buckler, Load Non-blocking JavaScript with HTML5 Async and Defer
Domenico De Felice, How browsers work