基于Web内核的微信小程序框架实践

微信终端开发团队

发布于 2022-01-17 18:40:09

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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：

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。
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。
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：

如何在Chromium中增加自定义的Web Worker线程，作为小程序的逻辑层。
如何给Chromium集成Node，用来扩展小程序的JSAPI。
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：

分析Chromium中Web Workers实现类。
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：

WorkerGlobalScope对象的创建流程首先是由JS在Render进程发起。
接着调到Browser进程，在Browser进程完成加载资源、构建依赖对象等。
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