从架构到API，你真的掌握了Electron的全貌吗？

前言

Electron 的原理是每个开发 Electron 应用的开发者都需要了解的知识内容，因为知道整个原理全貌后你才能在设计一个应用的时候更加的合理，遇到问题才知道从哪个方面去分析。这篇文章将主要从架构层面，协作方式，底层支持，源码层面，API设计等方面来剖析 Electron 的原理。

架构层面

两个组件

Electron 的核心架构是基于 Chromium 和 Node.js 两个主要组件，各自扮演不同的角色。

Chromium

Chromium 是一个开源的浏览器项目，Google Chrome 就是基于它构建的。Electron 使用 Chromium 作为其渲染引擎，这意味着 Electron 应用可以利用现代 web 标准和技术，如 HTML5、CSS3 和 JavaScript 来构建用户界面。

Chromium 提供了以下主要功能：

• 渲染引擎：负责将 HTML、CSS 和 JavaScript 转换为用户界面。
• 多进程架构：每个页面（窗口）通常运行在独立的渲染进程中，提高了应用的稳定性和安全性。

Node.js

Node.js 是一个基于 Chrome V8 引擎的 JavaScript 运行时，Electron 使用 Node.js 提供系统级别的 API，允许开发者在应用中使用服务器端的功能。

Node.js 主要提供以下功能：

• 文件系统访问：允许读写文件、创建目录等操作。
• 网络通信：支持 HTTP/HTTPS 请求、WebSocket 等网络协议。
• 进程管理：可以创建和管理子进程，执行系统命令等。

两种进程

Electron 应用通常包含主进程和渲染进程两种进程类型，每一种进程都有自己的属性和职责，另外还包含预加载脚本，他们相互协作构建出一个应用。

主进程（Main Process）

主进程是 Electron 应用的入口点，通常负责以下任务：

• 应用生命周期管理：包括启动、退出等。
• 创建和管理窗口：通过 BrowserWindow 对象创建和管理应用中的各个窗口（渲染进程）。
• 与操作系统交互：可以使用 Node.js API 进行文件操作、打开本地文件对话框等。
• 进程间通信：主进程和渲染进程之间通过 ipcMain 和 ipcRenderer 模块进行通信。

渲染进程（Renderer Process）

渲染进程负责 web 页面的渲染，每个 BrowserWindow 对象通常对应一个独立的渲染进程。渲染进程具有以下特点：

• 独立性：每个窗口有自己独立的渲染进程，崩溃时不会影响其他窗口。
• 安全性：由于渲染进程通常运行不具备完全访问 Node.js API 的权限，因此可以增强应用的安全性。
• UI 渲染：渲染进程使用 Chromium 提供的渲染引擎来显示 HTML、CSS 和 JavaScript 构建的用户界面。

预加载脚本（Preload Scripts）(可选)

预加载脚本在渲染进程中运行，但可以访问部分 Node.js API。它们的主要作用是：

• 安全桥梁：在渲染进程和主进程之间建立一个安全的桥梁，提供受控的 Node.js API 访问。
• 初始化任务：在 web 页面加载之前进行一些必要的初始化任务，如注入全局变量、设置事件监听等。

Chromium 和 Node.js 的协作

Electron 通过进程隔离、上下文桥接和 IPC 机制，实现了 Chromium 和 Node.js 的高效协作，确保应用的稳定性、安全性和功能性。

进程隔离

进程隔离是 Electron 实现稳定性和安全性的重要机制。Electron 通过将应用分为主进程（Node.js运行）和多个渲染进程（Chromium运行），来确保即使一个渲染进程崩溃，也不会影响到其他部分的运行。这种隔离使得应用能够同时利用 Node.js 强大的系统级 API 和 Chromium 先进的浏览器技术，同时也提高了应用的健壮性和安全性。

上下文桥接

上下文桥接通过contextBridge API，使得Node.js的功能可以安全地暴露给渲染进程。通过这种机制，可以在不直接暴露Node.js环境的情况下，将必要的功能提供给渲染进程。

IPC（进程间通信）

进程间通信（IPC）是 Electron 中主进程和渲染进程之间进行协作的重要机制。Electron 提供了ipcMain 和 ipcRenderer 模块，通过 IPC 机制，主进程和渲染进程可以相互发送消息，从而实现数据的传递和事件的触发。例如，当渲染进程需要访问文件系统时，可以通过发送消息给主进程，由主进程来执行实际的文件操作，并将结果返回给渲染进程。

底层支持

一款客户端框架，仅仅是有炫酷的界面是不行的，必须要有一些强劲的底层能力支持才能让这个桌面客户端框架完整，Electron 的底层支持主要涉及以下几个方面：

libchromiumcontent

libchromiumcontent 是 Chromium 内容模块的封装。它提供了一个独立于 Chromium 浏览器的内容渲染引擎。它具有以下功能：

1. Web标准支持：libchromiumcontent 实现了现代Web标准，包括HTML5、CSS3、ES6等。
2. 多进程架构：利用 Chromium 的多进程架构，渲染进程和主进程分离，提升了应用的稳定性和安全性。
3. 渲染能力：负责将 HTML、CSS 和 JavaScript 渲染为可视内容。

libchromiumcontent 作为一个共享库，被集成到 Electron 中，为 Electron 应用提供浏览器功能。Electron 的主进程启动时，会启动 Chromium 的多个子进程（包括渲染进程），来处理网页的加载和渲染。

Node.js

Node.js 是一个基于 V8 引擎的 JavaScript 运行环境。它使得 JavaScript 可以在服务器端运行，并且能够进行 I/O 操作。

它具有以下功能：

1. 系统级API：通过 Node.js 的模块系统，Electron 应用可以访问文件系统、网络、进程等系统级 API。
2. 异步编程：Node.js 提供了异步 I/O 操作，可以高效地处理并发任务。
3. 模块化：利用 Node.js 丰富的模块生态系统，开发者可以快速集成第三方库。

在 Electron 中，Node.js 被嵌入到主进程和渲染进程中。主进程负责管理应用生命周期和原生窗口，渲染进程负责网页内容的渲染和交互。通过 Node.js，开发者可以在 Electron 应用中使用 require 引入 Node.js 模块，直接调用底层系统 API

V8引擎

V8 是 Google 开发的开源 JavaScript 引擎，最初用于 Chrome 浏览器，现在也被 Node.js 和 Electron 使用。

它具有以下功能：

1. JavaScript 执行：将 JavaScript 代码编译为本地机器码，从而提升执行速度。
2. 内存管理：提供垃圾回收机制，自动管理内存分配和释放。
3. 性能优化：通过即时编译（JIT）和内联缓存（inline caching）等技术，优化 JavaScript 执行性能。

V8 引擎在 Electron 中同时被 Chromium 和 Node.js 共享使用。渲染进程中的 JavaScript 代码（包括前端代码）和主进程中的 JavaScript 代码（包括 Node.js 代码）都通过 V8 引擎执行。

操作系统API

操作系统API 是指 Electron 应用通过 Node.js 和自定义的 native 模块与操作系统进行交互的接口。

它具有以下功能：

1. 文件系统操作：访问和操作文件和目录。
2. 网络通信：进行网络请求和套接字编程。
3. 进程管理：创建和管理子进程。
4. GUI控制：通过 native 模块，控制窗口、菜单、通知等 GUI 元素。

Electron 应用可以使用 Node.js 的原生模块（如 fs、net 等）来直接与操作系统交互。此外，Electron 还提供了一些特定于 Electron 的模块（如 electron 模块），进一步封装了与操作系统的交互逻辑。这些模块通过 Node.js 的 C++ 插件机制（Node-API）与底层系统 API 进行通信。

Electron 通过整合 Chromium 的渲染能力、Node.js 的系统 API、共享的 V8 引擎以及操作系统 API，提供了一个非常强劲的底层支持能力，几乎可以做你任何想做的事情。

源码层面

对于源码的话，这块看自己的研究深度，大部分时候，使用一个框架是不太需要知道源码的，只要知道 API 和一些配置就行，但是如果遇到一些棘手的问题，看源码绝对可以解决你的很多问题，下面是核心源码目录的大概解释。

Electron
├── build/ - 构建脚本和配置文件
├── buildflags/ - 条件编译时可选的 Features
├── chromium_src/ - 包含 Chromium 的构建配置
├── default_app/ - Electron 默认程序，在未提供应用程序时启动
├── docs/ - Electron 文档
├── lib/ - JavaScript/TypeScript 源码
│   ├── browser/ - 主进程相关代码
│   ├── common/ - 主进程和渲染进程共享的代码
│   ├── isolated_renderer/ - 隔离渲染器相关代码
│   ├── node/ - Node.js 集成相关代码
│   ├── renderer/ - 渲染进程相关代码
│   ├── sandboxed_renderer/ - 沙箱化渲染器相关代码
│   ├── utility/ - 实用工具函数
│   └── worker/ - Web Worker 相关代码
├── npm/ - npm 相关配置和脚本
├── patches/ - 补丁文件
├── script/ - 开发和构建脚本
├── shell/ - Electron 壳层相关 C++ 代码
│   ├── app/ - 应用程序核心代码
│   ├── browser/ - 浏览器进程相关代码
│   ├── common/ - 共享代码
│   ├── renderer/ - 渲染器进程相关代码
│   ├── services/ - 服务相关代码
│   └── utility/ - 实用工具
├── spec/ - Electron 测试规范
├── spec-chromium/ - Chromium 相关测试
├── typings/ - TypeScript 类型定义文件

整体看 Electron 源码的结构是非常精巧的，不愧是大工程。这种结构设计允许 Electron 在保持灵活性的同时，有效管理其复杂的多进程架构和跨平台特性。它将高层 JavaScript API 与底层 C++ 实现分离，同时通过 common/ 目录实现了不同进程间的代码共享，这反映了 Electron 的核心设计理念。

应用入口源码简析

Electron 的源码很多，不过我们可以简单分析一下应用入口源码，就可大概理解整个 Electron 应用的启动过程了。

入口源码在：\shell\app\electron_main_delegate.cc，大概解读一下，在这个文件里面定义了 ElectronMainDelegate 类，这个类在 Electron 的启动过程中起着关键作用。下面是这个文件的主要内容和功能:

1. 基本启动流程:
   • BasicStartupComplete() 方法处理基本的启动任务,如设置命令行开关、注册路径提供者等。
2. 沙箱初始化:
   • PreSandboxStartup() 在沙箱启动之前执行一些初始化工作,如设置用户数据目录、初始化日志系统等。
3. 内容客户端创建:
   • 创建各种客户端对象,如 CreateContentBrowserClient(), CreateContentRendererClient() 等,这些对象负责管理 Electron 的不同进程。
4. 资源加载:
   • LoadResourceBundle() 函数负责加载本地化资源。
5. 进程类型处理:
   • RunProcess() 方法根据不同的进程类型执行相应的启动逻辑。
6. 特性列表和 Mojo 初始化:
   • ShouldCreateFeatureList() 和 ShouldInitializeMojo() 控制特性列表和 Mojo 系统的初始化。
7. 崩溃报告:
   • 包含了崩溃报告相关的初始化代码,尤其是在非 MAS (Mac App Store) 构建中。
8. 平台特定代码:
   • 包含了针对 Windows、macOS 和 Linux 的特定代码处理。

这个文件的作用是协调 Electron 应用的启动过程,设置必要的环境,初始化各种组件,并为不同类型的进程(如主进程、渲染进程等)准备运行环境。它是连接 Chromium 内容模块和 Electron 特定功能的桥梁,确保 Electron 应用能够正确启动并运行。

API设计

一个框架的 API 设计决定了它使用的上手难易度和开发者接受的程度，好在 Electron 的 API 设计也是非常巧妙的，所以开发起来也会比较顺手，它大概遵循以下原则：

模块化

Electron 的模块化设计允许开发者只使用他们需要的功能，提高了代码的可维护性和可读性。

• 实现细节：
  • 每个模块通常对应一个 C++ 类，如 app 模块对应 App 类。
  • JavaScript API 通过 V8 引擎与这些 C++ 类进行绑定。
  • 模块间保持低耦合，高内聚，允许独立更新和维护。
• 优势：
  • 便于理解和使用：开发者可以专注于所需的特定功能。
  • 性能优化：只加载必要的模块，减少内存占用。
  • 可扩展性：易于添加新模块或扩展现有模块。

事件驱动

事件驱动模型使得 Electron 应用能够高效地响应各种系统和用户事件。

• 实现细节：
  • 使用 Node.js 的 EventEmitter 模式。
  • C++ 层面的事件通过 V8 引擎转换为 JavaScript 事件。
  • 广泛应用于生命周期管理、IPC 通信等场景。
• 优势：
  • 非阻塞：事件处理不会阻塞主线程。
  • 松耦合：事件发送者和接收者之间无需直接依赖。
  • 灵活性：允许多个监听器响应同一事件。

异步优先

异步 API 设计确保了 Electron 应用的高性能和响应性。

• 实现细节：
  • 大量使用 Promise 和 async/await 语法。
  • 在 C++ 层面，使用 libuv 实现异步操作。
  • 对于可能耗时的操作，如文件 I/O 或网络请求，总是提供异步版本。
• 优势：
  • 提高应用响应性：避免长时间阻塞主线程。
  • 更好的错误处理：通过 Promise 链或 try-catch 结构处理异步错误。
  • 符合现代 JavaScript 实践：与 Node.js 和前端开发模式一致。

跨平台抽象

Electron 提供统一的 API 接口，大大简化了跨平台开发。

• 实现细节：
  • 在 C++ 层面为不同平台实现具体功能。
  • 使用条件编译和平台特定代码来处理平台差异。
  • JavaScript API 层保持一致，底层根据平台调用不同的实现。
• 优势：
  • 开发效率：开发者只需学习一套 API，就能开发跨平台应用。
  • 代码复用：大部分应用逻辑可以在不同平台间共享。
  • 维护简化：平台特定的问题被封装在底层，简化了上层应用的维护。

通过这些设计原则，Electron 成功地将 Web 技术与原生桌面功能结合，创造了一个强大而灵活的桌面应用开发平台。这不仅简化了开发过程，也为创新的桌面应用提供了可能性。

结语

这里我们大概简单地从几个方面剖析了 Electron 的原理，通过这些剖析了解了 Electron 的整体架构和设计思想，这对我们开发 Electron 应用是非常有帮助的，特别是在一些实战场景，如果对其原理了解得更加透彻，那么设计出来的应用应该也会很棒！