深度拆解 ‘Browser Rendering Engine’ (如 Blink)：解析 C++ 如何管理数百万个 DOM 节点的生命周期

各位同仁，欢迎来到今天的技术讲座。我们将深入剖析现代浏览器渲染引擎的核心机制，以 Google Chrome 的 Blink 引擎为例，重点探讨 C++ 如何高效、稳定地管理数百万计的 DOM 节点生命周期。这是一个充满挑战的领域，因为它要求极致的性能、精确的内存控制以及对复杂交互模式的深刻理解。

1. 渲染引擎的核心挑战：DOM 节点的规模与动态性

想象一下，一个复杂的网页可以包含成千上万甚至数十万个 DOM 节点。这些节点不仅代表着 HTML 结构，还承载着样式、布局信息、事件监听器以及与 JavaScript 的交互。当用户浏览、滚动、点击、输入时，这些节点会频繁地被创建、修改、移动和删除。

渲染引擎面临的挑战是多方面的：

• 内存效率： 数百万个节点，每个节点都有其内部状态和关联数据。如何以最小的内存开销表示它们？
• 性能： DOM 操作是网页交互的基础。如何确保节点创建、查找、修改和删除的速度足够快，不阻塞用户界面？
• 正确性： 复杂的父子兄弟关系、事件冒泡、样式级联、布局计算，任何一个环节出错都可能导致页面显示异常或崩溃。
• 生命周期管理： 哪些节点应该被保留？哪些可以被安全地回收？如何处理 C++ 对象与 JavaScript 对象之间的交叉引用，避免内存泄漏？
• 并发性： 虽然 DOM 操作通常在主线程进行，但现代浏览器会利用多线程进行解析、图片解码等，如何确保数据一致性和线程安全？

Blink 引擎采用 C++ 作为其核心开发语言，它利用 C++ 的强大表达能力和运行时效率，结合一套精心设计的内存管理策略和数据结构，来应对这些挑战。

2. DOM 节点的 C++ 内部表示

在 Blink 中，所有 DOM 节点都派生自一个共同的基类 Node。这个基类定义了所有节点类型共享的基本属性和行为。常见的节点类型包括：

• Document：代表整个 HTML 文档的根节点。
• Element：代表 HTML 标签，如 div, p, a 等。
• Text：代表文本内容。
• Attr：代表 HTML 元素的属性。
• Comment：代表 HTML 注释。
• DocumentFragment：一个轻量级的文档片段，常用于批量 DOM 操作。

这些节点类型形成了一个继承体系，并且通过指针相互连接，构成了我们所知的 DOM 树。

2.1 Node 类的核心结构

让我们简化地看一下 Node 类可能包含的关键成员：

// 简化版，实际 Blink 中的 Node 类要复杂得多
class Node : public GarbageCollected<Node> {
public:
    // 类型标识，用于快速判断节点类型
    enum NodeType {
        kElementNode = 1,
        kAttributeNode = 2,
        kTextNode = 3,
        kCDataSectionNode = 4,
        kEntityReferenceNode = 5,
        kEntityNode = 6,
        kProcessingInstructionNode = 7,
        kCommentNode = 8,
        kDocumentNode = 9,
        kDocumentTypeNode = 10,
        kDocumentFragmentNode = 11,
        kNotationNode = 12
    };

    // 指向父节点的指针
    Member<Node> m_parent;

    // 指向第一个子节点的指针
    Member<Node> m_firstChild;
    // 指向最后一个子节点的指针
    Member<Node> m_lastChild;

    // 指向下一个兄弟节点的指针
    Member<Node> m_nextSibling;
    // 指向前一个兄弟节点的指针
    Member<Node> m_previousSibling;

    // 节点的类型
    NodeType m_nodeType;

    // 节点的名称（对于Element是标签名，对于Text是#text等）
    String m_nodeName;

    // 关联的样式对象（可能为空）
    Member<ComputedStyle> m_computedStyle;

    // 关联的布局对象（可能为空）
    Member<LayoutObject> m_layoutObject;

    // 其他标志位，如是否需要重新计算样式、是否需要重新布局等
    // 通常会用位字段或打包的整数来节省空间
    unsigned m_flags;

    // 构造函数、析构函数、以及各种操作方法
    // ...

    // DOM API 实现，例如 appendChild, removeChild, cloneNode 等
    // ...
};

// Element 示例
class Element : public Node {
public:
    // 元素的标签名
    String m_tagName;

    // 元素的属性集合
    Member<NamedNodeMap> m_attributes; // NamedNodeMap 也是一个由 GC 管理的对象

    // ...
};

// Text 示例
class Text : public CharacterData { // CharacterData 继承自 Node
public:
    String m_data; // 文本内容
    // ...
};

关键点：

• 树形结构： m_parent, m_firstChild, m_lastChild, m_nextSibling, m_previousSibling 构成了双向链表和父子关系，允许高效地在 DOM 树中遍历和操作。
• 内存紧凑： 实际的 Node 类会非常注意内存布局，例如将多个布尔标志打包到一个整数中，使用短字符串优化存储等。
• 关联对象： m_computedStyle 和 m_layoutObject 指向与该节点相关的样式和布局信息。这些对象也是由渲染引擎内部管理，它们的生命周期与 DOM 节点紧密相关。

3. DOM 节点生命周期的内存管理策略

管理数百万个 C++ 对象的生命周期是一个巨大的挑战。传统的 new/delete 机制在处理复杂对象图和循环引用时极易出错，导致内存泄漏或悬垂指针。Blink 引擎为此设计了一套强大的垃圾回收（Garbage Collection, GC）系统，称为 Oilpan。

3.1 Oilpan：Blink 的现代垃圾回收器

Oilpan 是一个为 C++ 对象设计的精确垃圾回收器，它与 V8 的 JavaScript 垃圾回收器协同工作。它的目标是：

1. 自动化内存管理： 开发者无需手动 delete 对象。
2. 避免内存泄漏： 自动回收不再可达的对象，包括循环引用的情况。
3. 高性能： 对实时渲染和交互的影响最小化。

Oilpan 管理的 C++ 对象必须满足特定条件：它们必须直接或间接继承自 GarbageCollected<T> 或 GarbageCollectedMixin<T>。

核心概念：

• GarbageCollected<T>： 这是一个模板基类。任何希望被 Oilpan 管理的 C++ 类都必须继承它。它提供了 GC 所需的元数据和接口。

  class MyGCManagedClass : public GarbageCollected<MyGCManagedClass> {
      // ...
  };

• Member<T>： 用于在 Oilpan 管理的对象之间建立引用。当 MyGCManagedClass 内部有一个指向另一个 GarbageCollected 对象的指针时，应该使用 Member<T> 而不是原始指针 T*。Member<T> 允许 GC 遍历对象图并识别可达对象。

  class ParentNode : public GarbageCollected<ParentNode> {
  public:
      Member<ChildNode> m_child; // ChildNode 也是 GarbageCollected 的
      // ...
  };

  Member<T> 默认是强引用（strong reference）。如果 m_child 是 ParentNode 唯一指向 ChildNode 的强引用，那么当 ParentNode 被回收时，ChildNode 也可能被回收（如果它没有其他强引用）。

• WeakMember<T>： 弱引用。它允许一个对象引用另一个 GC 管理的对象，但不会阻止被引用的对象被回收。如果被引用的对象被回收，WeakMember 会自动置空（nullified）。这对于打破循环引用非常有用，例如 LayoutObject 通常会弱引用它的 Node。

  class LayoutObject : public GarbageCollected<LayoutObject> {
  public:
      WeakMember<Node> m_node; // 弱引用，不阻止 Node 被回收
      // ...
  };

• Persistent<T>： 用于从非 Oilpan 管理的 C++ 内存（例如栈、原始堆分配的对象）中建立对 Oilpan 管理对象的强引用。它是 GC 根（GC Root）的一种。只要存在一个 Persistent<T> 引用，被引用的对象就不会被回收。

  // 在一个非 GC 管理的函数中或者全局变量中
  Persistent<Node> globalNodeReference;
  
  void someFunction(Node* node) {
      globalNodeReference = node; // 建立一个强引用，阻止 node 被回收
  }

• HeapVector<T> / HeapHashMap<K, V> 等： Oilpan 提供了 GC 感知的容器类，它们会自动处理内部元素的 Member 引用，确保 GC 能够正确遍历。

Oilpan 的工作原理简述：

Oilpan 采用标记-清除（Mark-Sweep）算法。

1. 标记阶段（Mark）： 从一组已知的根（如 Persistent 引用、V8 JS 堆中的 DOM 包装器引用、线程栈上的 Member 引用）开始，递归遍历所有可达的 Member 引用。所有被访问到的对象都会被标记为“可达”。
2. 清除阶段（Sweep）： 遍历整个 Oilpan 堆，回收所有未被标记为“可达”的对象。这些对象被认为是“垃圾”。

Oilpan 还支持增量式和并发式 GC，以减少对主线程的阻塞时间，确保页面渲染流畅。

3.2 引用计数（Reference Counting）

尽管 Oilpan 是主流的内存管理机制，但在特定场景下，Blink 仍然会使用传统的 C++ 引用计数。这通常用于：

• 与非 GC 堆对象的桥接： 当一个对象需要在 GC 堆和非 GC 堆之间共享时，引用计数可以提供一种明确的生命周期管理方式。例如，Document 对象，它通常是一个 GC root，但其内部可能包含一些引用计数的子系统。
• 少量且生命周期明确的对象： 对于那些不形成复杂循环引用，且生命周期可以被精确控制的对象，引用计数可能比 GC 更轻量。

Blink 中使用 RefCounted<T> 基类和 scoped_refptr<T> 智能指针来实现引用计数。

class MyRefCountedObject : public RefCounted<MyRefCountedObject> {
public:
    // ...
private:
    // 构造函数私有，只能通过 create() 创建
    MyRefCountedObject() = default;
    friend class RefCounted<MyRefCountedObject>; // 允许 RefCounted 访问私有构造函数
};

// 使用 scoped_refptr
scoped_refptr<MyRefCountedObject> obj = base::AdoptRef(new MyRefCountedObject());

为什么不将所有 DOM 节点都用引用计数管理？

• 循环引用问题： DOM 树本身存在大量的父子兄弟循环引用（例如，父节点引用子节点，子节点又引用父节点）。引用计数无法自动处理这种情况，会导致内存泄漏。
• 性能开销： 每次拷贝或赋值 scoped_refptr 都会涉及原子操作（增加/减少引用计数），这在大量节点操作时会带来显著的性能开销。

因此，Oilpan GC 是管理 DOM 节点生命周期的首选方案。

3.3 内存分配器和竞技场（Memory Allocators and Arenas）

为了进一步优化性能和内存使用，Blink 还会利用自定义的内存分配器和竞技场（memory arenas）。

• 竞技场分配器： 对于生命周期相似的一组对象，或者在特定阶段（如 HTML 解析期间）大量创建的对象，可以分配一个大的内存块（竞技场）。所有这些对象都在该竞技场中分配。当整个竞技场不再需要时，可以一次性释放整个内存块，而不是逐个释放对象。这减少了分配/释放的开销，并改善了内存局部性。
• 对象池： 对于经常创建和销毁的特定类型的小对象，可以使用对象池来复用内存，避免频繁地向操作系统请求内存。

这些优化策略通常是 Oilpan GC 的补充，而不是替代。Oilpan 负责高层级的对象生命周期管理，而底层的内存分配则可能由更专业的分配器来完成。

4. DOM 树的构建与操作：生命周期的动态管理

DOM 节点的生命周期始于创建，可能经历多次修改和移动，最终被销毁。

4.1 节点创建

当浏览器解析 HTML 或 JavaScript 调用 document.createElement() 时，会创建新的 DOM 节点。

// 示例：Document::createElement() 的简化内部逻辑
Element* Document::createElement(const AtomicString& tag_name) {
    // 1. 分配内存：Oilpan 会负责分配一个新的 Element 对象
    Element* element = MakeGarbageCollected<Element>(*this, tag_name);

    // 2. 初始化：设置节点类型、标签名、默认属性等
    element->setNodeName(tag_name);
    element->setNodeType(Node::kElementNode);
    // ... 其他初始化

    // 3. 返回新创建的节点
    return element;
}

MakeGarbageCollected<T>(...) 是 Oilpan 提供的一个工厂函数，它负责在 Oilpan 堆上分配对象，并调用其构造函数。

4.2 节点插入 (appendChild, insertBefore)

当节点被插入到 DOM 树中时，其父子兄弟关系会发生变化。

// 示例：Node::appendChild() 的简化内部逻辑
Node* Node::appendChild(Node* new_child) {
    if (!new_child || new_child->isShadowHost()) {
        // 错误处理
        return nullptr;
    }

    // 1. 如果新节点已经有父节点，先从旧父节点中移除
    if (new_child->parentNode()) {
        new_child->parentNode()->removeChild(new_child);
    }

    // 2. 更新新节点的父节点指针
    new_child->setParent(this); // new_child->m_parent = this;

    // 3. 更新新节点的兄弟节点指针
    if (m_lastChild) {
        m_lastChild->setNextSibling(new_child); // m_lastChild->m_nextSibling = new_child;
        new_child->setPreviousSibling(m_lastChild); // new_child->m_previousSibling = m_lastChild;
    } else {
        // 如果是第一个子节点
        m_firstChild = new_child;
    }
    m_lastChild = new_child; // 更新父节点的最后一个子节点指针

    // 4. 通知渲染引擎 DOM 树结构发生变化，可能需要重新计算样式、布局
    DidInsertChild(new_child);

    return new_child;
}

关键点：

• 引用更新： Member<Node> 指针被更新，构建了新的树形结构。由于 Member 引用是强引用，只要父节点存在，子节点就不会被回收。
• 旧关系断开： 如果 new_child 原本有父节点，removeChild 操作会断开旧的父子关系，使旧的父节点不再强引用 new_child。
• 触发更新： DidInsertChild() 等方法会通知渲染管道（样式、布局、绘制），表明 DOM 结构发生了变化，可能需要更新渲染状态。这可能涉及重新计算样式、重新布局、甚至重新绘制部分或全部页面。

4.3 节点移除 (removeChild)

当节点被从 DOM 树中移除时，其在树中的引用关系被断开。

// 示例：Node::removeChild() 的简化内部逻辑
Node* Node::removeChild(Node* old_child) {
    if (!old_child || old_child->parentNode() != this) {
        // 错误处理
        return nullptr;
    }

    // 1. 更新父节点的子节点指针
    if (m_firstChild == old_child) {
        m_firstChild = old_child->nextSibling();
    }
    if (m_lastChild == old_child) {
        m_lastChild = old_child->previousSibling();
    }

    // 2. 更新被移除节点的兄弟节点指针
    if (old_child->previousSibling()) {
        old_child->previousSibling()->setNextSibling(old_child->nextSibling());
    }
    if (old_child->nextSibling()) {
        old_child->nextSibling()->setPreviousSibling(old_child->previousSibling());
    }

    // 3. 断开被移除节点的父节点和兄弟节点引用
    old_child->setParent(nullptr);
    old_child->setNextSibling(nullptr);
    old_child->setPreviousSibling(nullptr);

    // 4. 通知渲染引擎 DOM 树结构变化
    DidRemoveChild(old_child);

    // 5. 如果 old_child 没有其他强引用（例如，JS 变量），它将在下一次 GC 循环中被回收
    return old_child;
}

关键点：

• 引用断开： old_child 的 m_parent 被设置为 nullptr，其兄弟节点指针也被清除。这意味着 DOM 树不再强引用 old_child。
• GC 候选： 如果 old_child 没有其他来自 JavaScript 或 Persistent C++ 对象的强引用，它将成为 Oilpan GC 的回收候选对象。在下一次 GC 运行时，它将被自动回收，释放内存。
• 资源清理： DidRemoveChild() 会触发进一步的清理工作，例如：
  • 移除与该节点关联的 LayoutObject 和 ComputedStyle。
  • 解除事件监听器。
  • 通知可访问性树（Accessibility Tree）移除该节点。

4.4 节点克隆 (cloneNode)

cloneNode 会创建一个新的节点，并根据参数决定是否深度克隆其子节点。这涉及新的 Oilpan 对象分配和状态复制。

Node* Node::cloneNode(bool deep) {
    // 1. 创建一个新的节点（类型与当前节点相同）
    Node* new_node = MakeGarbageCollected<ElementType>(this->document(), this->nodeName());
    // ... 复制基本属性

    // 2. 如果是深度克隆，递归克隆子节点
    if (deep) {
        for (Node* child = firstChild(); child; child = child->nextSibling()) {
            new_node->appendChild(child->cloneNode(true)); // 递归调用
        }
    }
    return new_node;
}

5. 事件处理与观察者：生命周期的交织

DOM 节点的生命周期不仅仅是其在树中的存在，还包括它如何响应用户交互和内部状态变化。

5.1 事件监听器 (EventListener)

事件监听器是与 DOM 节点生命周期紧密相关的对象。

// 简化版 EventListener
class EventListener : public GarbageCollected<EventListener> {
public:
    // 实际的 JS 回调函数或 C++ Functor
    ScriptValue m_jsCallback;
    // ...
};

// EventTarget 维护监听器列表
class EventTarget : public GarbageCollected<EventTarget> {
public:
    HeapVector<Member<EventListener>> m_listeners; // 使用 HeapVector 存储 GC 管理的监听器

    void addEventListener(const AtomicString& type, EventListener* listener) {
        // 将 listener 添加到 m_listeners 列表中
        m_listeners.push_back(listener);
    }

    void removeEventListener(const AtomicString& type, EventListener* listener) {
        // 从 m_listeners 列表中移除 listener
        // ...
    }
    // ...
};

// Node 继承自 EventTarget
class Node : public GarbageCollected<Node>, public EventTarget {
    // ...
};

生命周期影响：

• 当一个 EventListener 被添加到 EventTarget (例如一个 Node) 时，EventTarget 会通过 Member<EventListener> 对其保持一个强引用。
• 这意味着只要 EventTarget 存在，它所引用的 EventListener 就不会被 GC 回收。
• 潜在的内存泄漏： 如果一个 EventListener 捕获了外部的 JavaScript 变量或 C++ 对象，并且它没有被 removeEventListener 移除，即使它所监听的 DOM 节点已经从树中移除，EventListener 仍然会保持活跃，从而阻止其捕获的变量或对象被回收。这是经典的 JavaScript 内存泄漏场景。
• 解决方案： 开发者必须确保在不再需要监听器时调用 removeEventListener。对于某些场景，可以使用 WeakEventListener（如果存在，或者通过一些模式模拟），使得监听器不阻止被监听对象被回收。

5.2 Mutation Observers

MutationObserver 允许 JavaScript 代码观察 DOM 树的变化。

class MutationObserver : public GarbageCollected<MutationObserver> {
public:
    // 观察的回调函数
    ScriptValue m_callback;
    // 观察的目标节点
    Member<Node> m_target;
    // ...
};

// Node 内部会维护一个被观察者列表
class Node : public GarbageCollected<Node> {
    // ...
    HeapVector<WeakMember<MutationObserver>> m_observers; // 弱引用观察者
    // ...
};

生命周期影响：

• MutationObserver 对象本身是 GC 管理的。它通常会持有对其回调函数和目标节点的强引用。
• 目标节点通常会对 MutationObserver 保持弱引用，因为 MutationObserver 的生命周期通常由 JavaScript 控制。如果 MutationObserver 对象在 JavaScript 中不再被引用，它应该能够被回收，而不应该因为目标节点的弱引用而保持活跃。
• 当 MutationObserver 不再需要时，JavaScript 代码应该调用 disconnect() 方法，这将解除所有与目标节点的关联。

6. 样式与布局对象的生命周期：紧密耦合

DOM 节点不仅仅是数据结构，它们还会被渲染成可见的像素。这个过程涉及样式计算 (ComputedStyle) 和布局计算 (LayoutObject)。

6.1 ComputedStyle

每个 Element 节点都有一个关联的 ComputedStyle 对象，它包含了该元素所有经过计算的 CSS 属性值。

class ComputedStyle : public GarbageCollected<ComputedStyle> {
public:
    // 各种 CSS 属性值，例如 color, font-size, display, position 等
    Color m_color;
    float m_fontSize;
    EDisplay m_display;
    // ...
    // 通常会包含指向其父样式或者共享样式表的指针，以节省内存
    Member<ComputedStyle> m_parentStyle;
};

class Element : public Node {
public:
    // ...
    Member<ComputedStyle> m_computedStyle; // 强引用
    // ...
};

生命周期：

• ComputedStyle 对象通常在样式计算阶段（RecalculateStyle）生成。
• 它被 Element 通过 Member<ComputedStyle> 强引用。
• 当 Element 被修改（例如，添加/移除类名、行内样式），或者其父元素的样式发生变化时，ComputedStyle 可能需要重新计算。旧的 ComputedStyle 对象会在没有其他引用后被 GC 回收，新的对象被创建并赋值给 m_computedStyle。
• 多个 Element 可能会共享同一个 ComputedStyle 对象（如果它们的计算样式完全相同），以节省内存。

6.2 LayoutObject

LayoutObject (在 Blink 中通常是 LayoutBox, LayoutText 等基类 LayoutObject) 是渲染引擎中负责布局计算和绘制的对象。并非所有 DOM 节点都会有对应的 LayoutObject（例如 head, script, meta 标签通常没有）。

class LayoutObject : public GarbageCollected<LayoutObject> {
public:
    // 指向其对应的 DOM 节点（弱引用）
    WeakMember<Node> m_node;

    // 布局树的父子兄弟指针
    Member<LayoutObject> m_parent;
    Member<LayoutObject> m_firstChild;
    // ...

    // 布局尺寸和位置
    LayoutRect m_rect;

    // 指向其 ComputedStyle 的引用
    Member<ComputedStyle> m_style;

    // ...
};

class Node : public GarbageCollected<Node> {
public:
    // ...
    Member<LayoutObject> m_layoutObject; // 强引用
    // ...
};

生命周期：

• LayoutObject 在布局树构建阶段 (AttachLayoutTree) 生成。
• Node 通过 Member<LayoutObject> 强引用其 LayoutObject。
• LayoutObject 反过来通过 WeakMember<Node> 弱引用其对应的 Node。这种弱引用至关重要，它打破了 Node -> LayoutObject -> Node 的循环引用，确保当 Node 不再被其他地方引用时，可以被 GC 回收。
• 当 DOM 节点被移除或其 display 属性变为 none 时，其对应的 LayoutObject 会被从布局树中移除 (DetachLayoutTree)，并最终被 GC 回收。
• 如果节点的样式或内容发生变化，可能需要重新计算布局，导致旧的 LayoutObject 被替换。

表格：DOM 节点与关联对象的生命周期关系

对象类型	基类/管理方式	与 Node 的关系	生命周期依赖	注意事项
Node	GarbageCollected<Node>	核心对象	Oilpan GC 管理，由 JS 或 Persistent C++ 引用保持活跃	DOM 树结构由 Member<Node> 引用维护
Element	Node	继承关系	同 Node
Text	Node	继承关系	同 Node
ComputedStyle	GarbageCollected	Element 通过 Member<ComputedStyle> 强引用	依赖于 Element	多个 Element 可共享，旧样式对象会被新样式对象替换后回收
LayoutObject	GarbageCollected	Node 通过 Member<LayoutObject> 强引用；LayoutObject 通过 WeakMember<Node> 弱引用	依赖于 Node（通过强引用）	WeakMember 打破循环引用，当 Node 不再可达时，LayoutObject 可回收
EventListener	GarbageCollected	EventTarget (通常是 Node) 通过 HeapVector<Member<EventListener>> 强引用	依赖于 EventTarget	需手动 removeEventListener 避免泄漏
MutationObserver	GarbageCollected	Node 通过 HeapVector<WeakMember<MutationObserver>> 弱引用	依赖于 JS 引用	disconnect() 解除关联

7. JavaScript 与 C++ Lifecycles 的交互与协同

Web 页面中，JavaScript 是动态修改 DOM 的主要驱动力。Blink 必须在 C++ DOM 对象和 V8 JavaScript 对象之间建立桥梁，并确保两者 GC 机制的协同工作。

7.1 V8 对象的包装器

当 JavaScript 代码操作 DOM 对象时，它实际上是在操作一个 V8 JavaScript 对象。这个 V8 对象内部会持有一个指向 C++ DOM 对象的指针。这个 V8 对象被称为 C++ DOM 对象的包装器 (Wrapper)。

// 概念上：
// JavaScript 对象 (V8::Object)
//   |
//   +-- 内部字段 (Internal Field) --> 指向 C++ DOM 对象 (Node*)
//
// C++ DOM 对象 (Node*)
//   |
//   +-- 内部字段 (ScriptWrappable) --> 指向 JavaScript 包装器对象 (v8::Persistent<v8::Object>)

Blink 内部有 ScriptWrappable 接口和 DOMWrapperMap 等机制来管理这种映射关系。

7.2 跨堆垃圾回收的协同

这是最复杂的部分。Oilpan GC 和 V8 GC 是两个独立的垃圾回收器，但它们必须协同工作，以正确回收跨语言引用的对象。

• V8 GC 扫描 Oilpan 堆根： V8 GC 在标记阶段会扫描 Oilpan 堆中的 Persistent<T> 引用和 ScriptWrappable 实例。如果一个 C++ DOM 对象被 V8 对象强引用（通过包装器），那么这个 C++ DOM 对象就是 V8 GC 的一个根。
• Oilpan GC 扫描 V8 堆根： Oilpan GC 在标记阶段会扫描 V8 堆。如果一个 V8 对象内部有一个指向 C++ DOM 对象的包装器，并且这个包装器对象是可达的，那么它所包装的 C++ DOM 对象就是 Oilpan GC 的一个根。

循环引用挑战：

考虑以下场景：

// JS 对象 A 引用了 C++ DOM 节点 N
let A = {
    domNode: document.createElement('div')
};
// C++ DOM 节点 N 的事件监听器引用了 JS 对象 A
A.domNode.addEventListener('click', function() {
    console.log(A);
});

这里形成了一个循环：JS 对象 A -> C++ DOM 节点 N -> C++ EventListener -> JS 回调函数 -> JS 对象 A。

• 如果 A 不再被任何其他 JS 代码引用，V8 GC 会发现 A 不可达。
• 当 A 被回收时，它对 domNode 的引用也消失了。
• 此时，C++ DOM 节点 N 的 EventListener 仍然引用着 A，但由于 A 已经被 V8 GC 清理，EventListener 中的 JS 回调将变得无效或指向已回收的内存。
• 更重要的是，如果 EventListener 中的 JS 回调强引用了 A，并且 EventListener 本身又被 N 强引用，那么 N 和 A 可能会形成一个跨语言的循环，导致两者都无法被回收。

为了解决这种复杂的跨堆循环引用问题，Blink/Oilpan 采取了多种策略：

1. 弱引用（Weak References）： 如前所述，WeakMember<T> 在 C++ 内部打破循环。V8 也提供了弱句柄（v8::WeakPersistent）用于类似目的。
2. 根集管理： 精确维护哪些对象是 GC 的根。
3. 协同回收算法： 两个 GC 协调运行，共享可达性信息，以识别并回收跨语言的循环垃圾。
4. 明确的生命周期管理： 鼓励开发者在使用 addEventListener 时，在不再需要时显式调用 removeEventListener。

8. 性能考量与优化

管理数百万个 DOM 节点，性能是重中之重。Blink 实施了大量优化措施：

• 内存紧凑： Node 对象本身尽可能小。例如，使用位字段（bit fields）来存储多个布尔标志，或者使用 union 来复用内存，如果某些字段是互斥的。
• 缓存局部性： 设计数据结构和算法，使得访问相邻节点时能更好地利用 CPU 缓存。例如，子节点通常存储在连续的内存区域，或者遍历时尽量减少跳跃。
• 延迟初始化（Lazy Initialization）： 并非所有节点在创建时都需要 ComputedStyle 或 LayoutObject。这些关联对象通常只在第一次需要时（例如，节点被插入到文档中并变得可见时）才会被创建。
• 增量处理： HTML 解析器可以增量地构建 DOM 树，而不是等到整个文档下载完毕。样式计算和布局也可以分阶段进行，或者只针对发生变化的部分进行。
• 批处理 DOM 操作： 开发者应该避免频繁地单个操作 DOM。例如，使用 DocumentFragment 批量插入节点，或者使用 innerHTML 一次性更新大量内容，这可以显著减少重绘和回流的次数。
• Shadow DOM： 提供了一种封装机制，使得子树的样式和行为与外部 DOM 隔离开来。这有助于限制样式计算和布局更新的范围，提高性能。
• GC 优化： Oilpan 的增量式、并发式和并行 GC 策略旨在最小化 GC 暂停时间，避免卡顿。
• 字符串去重（String Interning）： 标签名、属性名等字符串在内存中通常只有一个副本，通过 AtomicString 类型实现，节省内存并加速字符串比较。

9. 挑战与边缘情况

• 内存泄漏： 尽管有 GC，但跨语言的复杂引用，特别是未移除的事件监听器，仍可能导致泄漏。例如，JS 持有 C++ 对象，C++ 对象又通过某种方式（如 WeakMember 意外地变为强引用，或通过其他非 GC 管理的对象）持有 JS 对象，且这些引用没有被 GC 识别或打破。
• 主线程阻塞： 尽管有优化，但大规模的 DOM 操作仍可能导致主线程长时间工作，造成页面卡顿。
• 多线程访问： 虽然 DOM 核心操作在主线程，但 Web Workers 可以在后台处理数据，然后将结果传递给主线程进行 DOM 更新。OffscreenCanvas 允许在 Worker 中渲染。这些场景需要小心处理数据同步和所有权转移。
• 序列化与反序列化： 当 DOM 节点需要在不同上下文（如 Web Workers 之间）传输时，需要将其序列化和反序列化，这涉及到创建新的 C++ 对象和复制状态。
• 旧版浏览器兼容性： 不同浏览器渲染引擎的实现细节不同，需要开发者编写兼容性代码。

10. 浏览器渲染引擎的未来发展

浏览器渲染引擎的演进永无止境：

• WebAssembly (Wasm) 与 DOM 交互： Wasm 提供了接近原生的性能，但如何高效、安全地从 Wasm 模块中操作 DOM 仍然是一个活跃的研究领域。未来可能会有更直接、更高效的 Wasm-DOM 绑定。
• 更智能的 GC 策略： 随着硬件和软件技术的发展，GC 算法将继续优化，以实现更低的延迟和更高的吞吐量。
• 渲染并行化： 进一步探索在多核处理器上并行化渲染管道的更多阶段，例如布局、绘制等，以提高性能和响应速度。
• 声明式 Shadow DOM： 作为 Web Components 的一部分，它允许在服务器端渲染 Shadow DOM，减少客户端 JavaScript 的工作量。

通过本次讲座，我们深入了解了 Blink 引擎如何利用 C++ 的强大能力，结合 Oilpan 垃圾回收器、精巧的数据结构和一系列性能优化策略，高效且稳定地管理数百万个 DOM 节点的生命周期。这种复杂的系统是现代 Web 应用程序高性能、高可靠性的基石。

---

浏览器渲染引擎在 C++ 层面通过精密的内存管理（Oilpan GC 为核心）、高效的树形数据结构和细致的生命周期管理机制，成功应对了数百万 DOM 节点动态变化的挑战。它通过 C++ 与 JavaScript 运行时环境的紧密协同，实现了高性能、低延迟的 Web 内容渲染。