基于Web内核的微信小程序框架实践

2022-01-17 18:40:09 浏览数 (1)

背景

在正式进入分享之前，简单介绍一下做这个小程序新框架的背景思路，主要目的有以下几点：

  1. 新框架和微信的主客户端解耦，能够独立运行，并且可以同时支持小程序和小游戏。
  2. 新框架能去拥抱更多的Web特性，深入到Chromium内核中，去支持更多平台。
  3. 还有一个目的就是，通过新框架去拓宽小程序生态的边界，能够在许多非移动端设备，提供微信小程序生态。

1 小程序和PWA

首先来了解一下小程序和PWA，可以说小程序设计之初，还是吸收了很多Web特性，这也使得小程序和PWA应用的用户体验很接近，包括技术特点也有很多相似的地方。所以关于小程序和PWA的讨论也非常多，接下来会从框架的角度入手，来对比一下小程序和PWA的相关特点。

1.1 小程序框架简介

上面这个图，是移动端小程序的框架，它主要由三部分组成，分别是视图层，逻辑层和JS绑定。其中：

  • 视图层，用来展示用户的UI，通过Web内核的WebPage来进行展示。 
  • 逻辑层，运行开发者代码，在一个独立的JS线程环境中，这个JS环境在Android是独立的V8提供的，iOS上是JSCore 。
  • JSAPI，都是通过JS绑定，将平台和微信相关的能力暴露给逻辑层，从而给开发者提供相应的JSAPI接口。
  • setData，传输视图层和逻辑层的数据。

1.2 PWA简介

上面这个图，是一个PWA架构的简图，在这里我们可以看到：

  • PWA的运行环境，是一个完整的Web内核。
  • index.html：类似小程序的视图层，运行在Web内核的Render线程，可以执行JS。
  • sw.js：类似小程序的逻辑层，运行在Web内核的ServiceWorker线程，管理PWA的生命周期。
  • JSAPI：Web内核通过WebIDL绑定的方式，将底层能力暴露出来。
  • postMessage：用于给ServiceWorker线程和Render线程提供通信能力，性能非常好，支持Transferable 对象传输。

1.3 小程序和PWA对比

通过上文的介绍，可以看到小程序和PWA的主体上都是双线程架构的模型，但是有区别的是：

  • 视图层：PWA可以执行JSAPI，小程序不行。
  • 逻辑层：PWA的JSRuntime是Web内核提供的，不再需要独立的V8。
  • JS绑定: PWA的接口都是标准的H5能力，通过WebIDL绑定，小程序是微信相关接口能力，独立绑定。
  • 另外就是，PWA的应用开发者拥有完全的代码控制能力，但是小程序为了保护微信相关数据安全，都会让开发者代码运行在一个沙箱环境上。

1.4 向PWA学习

PWA的优点非常多，非常值得小程序学习，其中有几点：

  • Service Worker线程，非常轻量，不再需要额外的V8环境。
  • PostMessage：支持结构化Clone和Transable对象传输，性能非常高。
  • PWA还拥有非常丰富的H5 API，比如Canvas、WebSocket等。
  • PWA拥有Chrome Devtools的Inspector能力，非常方便进行调试。

这些特点都能提高整个小程序的运行性能，同时还能降低框架的开发维护成本。所以在设计新的小程序框架的时候，我们希望能够吸收PWA的优点，同时能够灵活满足自己业务的需要。这样就需要深入Web内核中做一些修改和定制，来实现一个符合业务需求的小程序框架。

2. 基于Chromium内核的小程序框架

2.1 整体框架

先来看一下新框架最终的架构图，这个图其实和PWA的架构很接近，运行环境是在Chromium内核的基础上。

  • 视图层：是Chromium内核的Render线程，用来渲染Page页面
  • 逻辑层：是修改Chromium内核，实现自定义的XWeb Worker线程，这样就不再需要额外的V8了。
  • JSAPI：通过给逻辑层,集成Node,使得JSAPI 能力由 H5 API和 Node API 以及 Node扩展接口支持.
  • PostMessage: 由于是基于Chromium内核的Worker线程，所以关于数据通信这块，很自然的也会拥有PostMessage的能力，来替代原有的setData。

这里修改Chromium内核，是存在几个挑战点的：

  1. 如何在Chromium中增加自定义的Web Worker线程，作为小程序的逻辑层。
  2. 如何给Chromium集成Node，用来扩展小程序的JSAPI。
  3. 如何给Web Worker增加沙箱能力，确保微信环境的数据安全。

接下来将详细介绍，我们如何解决这些问题的。

2.2 自定义XWeb Worker线程

那么如何设计XWeb Worker的线程，从以下两个分析点入手：

  1. 分析Chromium中Web Workers实现类。
  2. 分析Chromium中Web Workers的创建流程。

这里需要解决的核心问题包括两个，一个是运行环境问题、另一个就是运行线程的问题。

通过上图可以看到所有的Web workers的运行环境实现其父类都是 WorkerGlobalScope 对象，提供了基本的JS运行环境， 因此我们XWebWorker运行环境的实现同样继承自该类。

然后我们参考Chromium中关于SharedWorker的实现，设计了我们XWebWorker。

通过上面这个流程图，可以看到：

  1. WorkerGlobalScope对象的创建流程首先是由JS在Render进程发起。
  2. 接着调到Browser进程，在Browser进程完成加载资源、构建依赖对象等。
  3. 接下来创建请求会再次回到Render进程进行真正的创建，这时就会创建Worker线程以及WorkerGlobalScope对象。

参考上面这个流程，实现自定义的XWeb Worker，这样就可以共享Chromium内核的V8，不再需要额外JS运行环境。同时我们可以复用更多的H5 API的接口能力，以及PostMessage的高性能通信能力。

2.3 集成Node，支持JSAPI

由于Chromium内核本身没有提供JS绑定的能力，这样也不方便我们灵活扩展JS接口，所以在这里参考了electron的思路，将node融合Chromium内核中。

这里将Node融合到Chromium内核，最大的困难在于消息循环的融合：

  • Node.js 事件循环基于 libuv，而Chromium 基于自己实现的 message_loop。
  • Worker线程只能运行一个消息循环。

electron非常巧妙的利用epoll事件机制，通过独立线程轮询backend fd，将libuv融入Chromium的message loop，从而避免了大量修改Chromium内核的代码。

大家如果对这个原理感兴趣,可以深入阅读一下《Electron Internals: Message Loop Integration》这篇文章。

成功融合Node之后的Chromium内核，将共用同一个V8，而且在逻辑端，也会拥有非常丰富的JSAPI 能力：

  • 在XWeb Worker中可以使用丰富的H5 API能力。比如PostMessage，WebSocket还有offscreen Canvas 等。
  • 同时我们也会拥有Node相关的API能力，比如file的读写 http相关接口等。
  • 如果业务有需求变更的话，可以通过 node 的 addon模块来增加我们自己的JSAPI能力

这样下来，就能在自定义XWeb Worker线程的基础上，实现JSAPI的能力支持。

2.4 沙箱能力支持

小程序还有一个非常重要的能力，就是沙箱能力，这个主要是确保开发者代码运行在一个受到控制的安全环境中。

2.4.1 挑战点

这里的挑战点在于：

  • WebWorker 没有提供创建沙箱函数的相关的API。
  • Node VM创建裸V8 context，无法处理Chromium内核的JS异常及特定JS函数。

这也使得Electron团队已在Renderer进程中禁用了Node VM。

2.4.2 V8::Context的分析

所以在这里，就必须深入分析Chromium内核对V8：Context的封装，只有深入了解后，才能封装出所需要的沙箱接口。

在Chromium下有两种类型的JS执行环境：一种是iframe类型、另外一种是worker类型：

  • 对于iframe来说，在blink层对应的是Document对象，其继承自 Context 类,它提供了JS脚本执行环境的公共属性。Document对象通过 Context类、 ScriptState类、ScriptState类，完成了对裸v8 context的封装。
  • 同样的对于ServiceWorker端，也是基于类似的流程完成了对裸v8 context的包装。其中 WorkerGlocalScope，则提供了满足JS运行的基本口实现。

2.4.3 实现XWeb Worker 的沙箱接口

在这里借鉴Chromium内核中Web Worker创建Context的思路：

  • 创建VMWorkerGlobalScope，用于创建context及ScriptState等关联对象。
  • VM Context的Js 通过调用父类的封装对象调用执行。
  • 对外暴露CreateVMContext等API接口，从而提供沙箱能力支持。

3.基于Chromium内核的小游戏框架

基于Chromium内核的小游戏框架，相比小程序而言就简洁很多了，它同样运行在Chromium内核中，只会使用Render线程，作为小游戏的JS线程。然后会使用 H5 的接口，比如canvas webgl，同样也会融合 node 进来，来做JS API的扩展。

3.1 JSAPI能力支持

小游戏的JS API，由于是运行在Chromium的Render线程上，能够直接使用 很多 H5的能力，比如Canvas、WebGL、WebAudio 等。同样融入Node后，会获得node相应的api能力，比如node 的 file http socket 等。如果业务有扩展，比如要新增jsapi接口，可以通过 node addon 来增加实现。

3.2 沙箱能力支持

小游戏的沙箱能力，我们这里直接使用iframe，来作为独立的js context，当然考虑到安全，我们会在Chromium内核中，禁用iframe中的DOM和BOM相关接口。

4.进程模型&跨平台实践

4.1 进程模型

如下图所示，左侧是Host进程，右边是Chromium的多进程模型：

  • 每一个小程序和小游戏都是一个独立的Render进程 。
  • Host进程，比如PC微信，小程序一些微信相关的能力，需要和Host进程打交道。
  • 在这里，我们通过IPC通信的方式，来降低小程序和Host进程的耦合程度。
  • 而通过Chromium的多进程模型，来保证每个小程序和小游戏 以及Host之间互相不影响。

4.2 跨平台SDK

得益与Chromium的架构和跨平台能力，也使得我们小程序框架非常容易移植和集成。

  • 多个平台，使用同一份源码
  • SDK可独立使用
  • PC微信集成

4.3 Windows 和 Linux 平台演示

1.集成到Windows微信，从桌面拉起小程序。

2.独立的SDK Demo运行在Linux平台。

4.4 移植到 Android Native 环境

基于新框架的跨平台特性，这里尝试将新的小程序框架移植到Android的Native环境，不会依赖任何的Android Java框架代码：

  • Chromium内核只会对接 Android Native框架，最重要的就是图形和输入。
  • 通过封装 Android Native 图形系统SurfaceFlinger和输入系统Input Manager的 C 接口，对接Chromium Ozone。

其实移植到Android Native后的整体架构，和【曾经的FirefoxOS】以及【现在的KaiOS】架构比较接近，没有任何Java代码，只有Web的技术栈。下面通过一个Demo视频，看看如何在pixel3手机上开机到一个【小程序列表】，并且运行【小程序app】：

5.总结与展望

Chromium可以说是目前终端领域最复杂的软件之一了，而小程序也是目前前端最火的领域。本文给出了一个全新的小程序框架思路，基于Chromium内核，进行深度定制，复用H5生态，灵活满足小程序的业务需求，不仅能减少大量的开发成本，而且性能指标也有大幅提升。

而我们在实际性能评测中，新框架相比过去的框架方案，小程序首屏显示，冷启动耗时减少70%，用户体验大幅度改善。而且由于减少了逻辑端的V8，以及大量JSAPI 复用H5的能力，使得内存占用方面，也有显著减少。

而Chromium的跨平台能力，也使得整个框架，非常方便移植到各个平台，无论是Windows，Linux，Mac还是Android，甚至类似WebOS的架构，新框架都可以轻松适应。

最后，希望这篇文章能给到大家一些新的思路。

最后的最后，我们招人，招人，招人！ 如果大家对微信终端技术感兴趣，大家可以在 hr.tencent.com 搜索[微信终端]相关岗位，或者扫描下面的二维码投递简历。

参考资料

https://www.chromium.org/Home

https://developer.mozilla.org/zh-CN/docs/Web/Progressive_web_apps

https://www.electronjs.org/blog/electron-internals-node-integration

https://github.com/electron/electron

https://chromium.googlesource.com/chromium/src/ /HEAD/docs/ozone_overview.md

https://zh.wikipedia.org/wiki/Firefox_OS

https://developer.kaiostech.com/docs/sfp-3.0/

小程序 webgl 网站 javascript api

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