JavaScript运行机制Event Loop

一、JavaScript是单线程

• JavaScript语言的一大特点就是单线程，也就是说，同一个时间只能做一件事
• 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。

二、任务队列

• 单线程就意味着，所有任务需要排队，前一个任务结束，才会执行后一个任务。如果前一个任务耗时很长，后一个任务就不得不一直等着
• 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

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

异步执行的运行机制

• 所有同步任务都在主线程上执行，形成一个执行栈
• 主线程之外，还存在一个”任务队列”（task queue）。只要异步任务有了运行结果，就在”任务队列”之中放置一个事件
• 一旦”执行栈”中的所有同步任务执行完毕，系统就会读取”任务队列”，看看里面有哪些事件。那些对应的异步任务，于是结束等待状态，进入执行栈，开始执行
• 主线程不断重复上面的第三步

主线程和任务队列的示意图

只要主线程空了，就会去读取”任务队列”，这就是JavaScript的运行机制。这个过程会不断重复

三、事件和回调函数

• “任务队列”是一个事件的队列（也可以理解成消息的队列），IO设备完成一项任务，就在”任务队列”中添加一个事件，表示相关的异步任务可以进入”执行栈”了。主线程读取”任务队列”，就是读取里面有哪些事件。
• “任务队列”中的事件，除了IO设备的事件以外，还包括一些用户产生的事件（比如鼠标点击、页面滚动等等）。只要指定过回调函数，这些事件发生时就会进入”任务队列”，等待主线程读取。
• 所谓”回调函数”（callback），就是那些会被主线程挂起来的代码。异步任务必须指定回调函数，当主线程开始执行异步任务，就是执行对应的回调函数。
• “任务队列”是一个先进先出的数据结构，排在前面的事件，优先被主线程读取。主线程的读取过程基本上是自动的，只要执行栈一清空，”任务队列”上第一位的事件就自动进入主线程。但是，由于存在后文提到的”定时器”功能，主线程首先要检查一下执行时间，某些事件只有到了规定的时间，才能返回主线程。

四、JS中的event loop

4.1 原理分析

主线程从”任务队列”中读取事件，这个过程是循环不断的，所以整个的这种运行机制又称为Event Loop（事件循环）

上图中，主线程运行的时候，产生堆（heap）和栈（stack），栈中的代码调用各种外部API，它们在”任务队列”中加入各种事件（click，load，done）。只要栈中的代码执行完毕，主线程就会去读取”任务队列”，依次执行那些事件所对应的回调函数

• JS 在执行的过程中会产生执行环境，这些执行环境会被顺序的加入到执行栈中。如果遇到异步的代码，会被挂起并加入到 Task（有多种 task） 队列中。一旦执行栈为空，Event Loop 就会从 Task 队列中拿出需要执行的代码并放入执行栈中执行，所以本质上来说 JS 中的异步还是同步行为

console.log('script start');

setTimeout(function() {
  console.log('setTimeout');
}, 0);

console.log('script end');

不同的任务源会被分配到不同的 Task 队列中，任务源可以分为 微任务（microtask） 和 宏任务（macrotask）。在 ES6 规范中，microtask称为 jobs，macrotask 称为 task

console.log('script start');

setTimeout(function() {
  console.log('setTimeout');
}, 0);

new Promise((resolve) => {
    console.log('Promise')
    resolve()
}).then(function() {
  console.log('promise1');
}).then(function() {
  console.log('promise2');
});

console.log('script end');
// script start => Promise => script end => promise1 => promise2 => setTimeout

以上代码虽然 setTimeout写在 Promise 之前，但是因为 Promise属于微任务而 setTimeout 属于宏任务

4.2 微任务

• process.nextTick
• promise
• Object.observe
• MutationObserver

4.3 宏任务

• script
• setTimeout
• setInterval
• setImmediate
• I/O
• UI rendering

宏任务中包括了 script ，浏览器会先执行一个宏任务，接下来有异步代码的话就先执行微任务

4.4 正确的Event loop 顺序

• 执行同步代码，这属于宏任务
• 执行栈为空，查询是否有微任务需要执行
• 执行所有微任务
• 必要的话渲染 UI
• 然后开始下一轮 Event loop，执行宏任务中的异步代码

通过上述的 Event loop 顺序可知，如果宏任务中的异步代码有大量的计算并且需要操作 DOM 的话，为了更快的响应界面响应，我们可以把操作 DOM 放入微任务中

五、Node 中的 Event loop

• Node.js也是单线程的Event Loop，但是它的运行机制不同于浏览器环境
• Node 的 Event loop 分为6个阶段，它们会按照顺序反复运行

5.1 Node.js的运行机制

• V8引擎解析JavaScript脚本
• 解析后的代码，调用Node API
• libuv库负责Node API的执行。它将不同的任务分配给不同的线程，形成一个Event Loop（事件循环），以异步的方式将任务的执行结果返回给V8引擎
• V8引擎再将结果返回给用户

除了setTimeout和setInterval这两个方法，Node.js还提供了另外两个与”任务队列”有关的方法：process.nextTick和setImmediate。它们可以帮助我们加深对”任务队列”的理解

5.2 各个阶段

┌───────────────────────┐
┌─>│        timers         │
│  └──────────┬────────────┘
│  ┌──────────┴────────────┐
│  │     I/O callbacks     │
│  └──────────┬────────────┘
│  ┌──────────┴────────────┐
│  │     idle, prepare     │
│  └──────────┬────────────┘      ┌───────────────┐
│  ┌──────────┴────────────┐      │   incoming:   │
│  │         poll          │<──connections───     │
│  └──────────┬────────────┘      │   data, etc.  │
│  ┌──────────┴────────────┐      └───────────────┘
│  │        check          │
│  └──────────┬────────────┘
│  ┌──────────┴────────────┐
└──┤    close callbacks    │
   └───────────────────────┘

5.2.1 timer

• timers 阶段会执行 setTimeout 和 setInterval
• 一个 timer 指定的时间并不是准确时间，而是在达到这个时间后尽快执行回调，可能会因为系统正在执行别的事务而延迟
• 下限的时间有一个范围：[1, 2147483647] ，如果设定的时间不在这个范围，将被设置为1。

5.2.2 I/O

I/O 阶段会执行除了 close 事件，定时器和 setImmediate 的回调

5.2.3 idle, prepare

idle, prepare 阶段内部实现

5.2.4 poll

poll 阶段很重要，这一阶段中，系统会做两件事情

• 执行到点的定时器
• 执行 poll 队列中的事件

并且当 poll 中没有定时器的情况下，会发现以下两件事情

• 如果 poll 队列不为空，会遍历回调队列并同步执行，直到队列为空或者系统限制
• 如果 poll 队列为空，会有两件事发生
  • 如果有 setImmediate 需要执行，poll 阶段会停止并且进入到 check 阶段执行 setImmediate
  • 如果没有 setImmediate 需要执行，会等待回调被加入到队列中并立即执行回调
• 如果有别的定时器需要被执行，会回到 timer 阶段执行回调

5.2.5 check

check 阶段执行 setImmediate

5.2.6 close callbacks

• close callbacks 阶段执行 close 事件
• 并且在 Node 中，有些情况下的定时器执行顺序是随机的

setTimeout(() => {
    console.log('setTimeout');
}, 0);
setImmediate(() => {
    console.log('setImmediate');
})
// 这里可能会输出 setTimeout，setImmediate
// 可能也会相反的输出，这取决于性能
// 因为可能进入 event loop 用了不到 1 毫秒，这时候会执行 setImmediate
// 否则会执行 setTimeout

当然在这种情况下，执行顺序是相同的

var fs = require('fs')

fs.readFile(__filename, () => {
    setTimeout(() => {
        console.log('timeout');
    }, 0);
    setImmediate(() => {
        console.log('immediate');
    });
});
// 因为 readFile 的回调在 poll 中执行
// 发现有 setImmediate ，所以会立即跳到 check 阶段执行回调
// 再去 timer 阶段执行 setTimeout
// 所以以上输出一定是 setImmediate，setTimeout

上面介绍的都是macrotask 的执行情况，microtask 会在以上每个阶段完成后立即执行。

setTimeout(()=>{
    console.log('timer1')

    Promise.resolve().then(function() {
        console.log('promise1')
    })
}, 0)

setTimeout(()=>{
    console.log('timer2')

    Promise.resolve().then(function() {
        console.log('promise2')
    })
}, 0)

// 以上代码在浏览器和 node 中打印情况是不同的
// 浏览器中一定打印 timer1, promise1, timer2, promise2
// node 中可能打印 timer1, timer2, promise1, promise2
// 也可能打印 timer1, promise1, timer2, promise2

Node 中的 process.nextTick 会先于其他 microtask 执行。

setTimeout(() => {
  console.log("timer1");

  Promise.resolve().then(function() {
    console.log("promise1");
  });
}, 0);

process.nextTick(() => {
  console.log("nextTick");
});
// nextTick, timer1, promise1

六、参考

• JavaScript 运行机制详解：再谈Event Loop