JS事件循环(event loop)

时间:2021-1-8 作者:admin

JavaScript单线程

JavaScript语言的特点就是单线程,同一个时间只能做一件事。为什么JavaScript不是有多个线程呢?这样能提高效率啊。

JavaScript的单线程,与它的用途有关。作为浏览器脚本语言,JavaScript的主要用途是与用户互动,以及操作DOM。这决定了它只能是单线程,否则会带来很复杂的同步问题。比如,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?所以为了让浏览器保持清醒,JavaScript只规定了一条操作的主线,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,然而,使用Web Worker技术开的多线程有着诸多限制,例如:所有新线程都受主线程的完全控制,不能独立执行。这意味着这些“线程” 实际上应属于主线程的子线程。另外,这些子线程并没有执行I/O操作的权限,只能为主线程分担一些诸如计算等任务。所以严格来讲这些线程并没有完整的功能,也因此这项技术并非改变了javascript语言的单线程本质。所以,这个新标准并没有改变JavaScript单线程的本质。

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。

JavaScript语言的设计者意识到,这时主线程完全可以不管IO设备,挂起处于等待中的任务,先运行排在后面的任务。等到IO设备返回了结果,再回过头,把挂起的任务继续执行下去。

于是,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。

具体来说,异步执行的运行机制如下。(同步执行也是如此,因为它可以被视为没有异步任务的异步执行。)

  1. 所有同步任务都在主线程上执行,形成一个执行栈(execution context stack)。

  2. 主线程之外,还存在一个”任务队列”。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。

  3. 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。

  4. 主线程不断重复上面的第三步。

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。

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。

Event Loop

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)。

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。

定时器

除了放置异步任务的事件,“任务队列”还可以放置定时事件,即指定某些代码在多少时间之后执行。这叫做”定时器”(timer)功能,也就是定时执行的代码。

定时器功能主要由setTimeout()和setInterval()这两个函数来完成,它们的内部运行机制完全一样,区别在于前者指定的代码是一次性执行,后者则为反复执行。以下主要讨论setTimeout()。

setTimeout()接受两个参数,第一个是回调函数,第二个是推迟执行的毫秒数。

console.log(1);
setTimeout(function(){console.log(2);},1000);
console.log(3);

代码的执行结果是1,3,2,因为setTimeout()将第二行推迟到1000毫秒之后执行。

总之,setTimeout(fn,0)的含义是,指定某个任务在主线程最早可得的空闲时间执行,也就是说,尽可能早得执行。它在”任务队列”的尾部添加一个事件,因此要等到同步任务和”任务队列”现有的事件都处理完,才会得到执行。

HTML5标准规定了setTimeout()的第二个参数的最小值(最短间隔),不得低于4毫秒,如果低于这个值,就会自动增加。在此之前,老版本的浏览器都将最短间隔设为10毫秒。另外,对于那些DOM的变动(尤其是涉及页面重新渲染的部分),通常不会立即执行,而是每16毫秒执行一次。这时使用requestAnimationFrame()的效果要好于setTimeout()。

Node.js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.js的运行机制如下:

  1. V8引擎解析JavaScript脚本。

  2. 解析后的代码,调用Node API。

  3. 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。

  4. V8引擎再将结果返回给用户。

node中事件循环的实现是依靠的libuv引擎,因此实际上node中的事件循环存在于libuv引擎中。

libuv引擎中的事件循环的模型:

┌───────────────────────┐

┌─>│ timers │

│ └──────────┬────────────┘

│ ┌──────────┴────────────┐

│ │ I/O callbacks │

│ └──────────┬────────────┘

│ ┌──────────┴────────────┐

│ │ idle, prepare │

│ └──────────┬────────────┘ ┌───────────────┐

│ ┌──────────┴────────────┐ │ incoming: │

│ │ poll │<──connections─── │

│ └──────────┬────────────┘ │ data, etc. │

│ ┌──────────┴────────────┐ └───────────────┘

│ │ check │

│ └──────────┬────────────┘

│ ┌──────────┴────────────┐

└──┤ close callbacks │

└───────────────────────┘

  • timers: 这个阶段执行定时器队列中的回调如 setTimeout() 和 setInterval()。
  • I/O callbacks: 这个阶段执行几乎所有的回调。但是不包括close事件,定时器和setImmediate()的回调。
  • idle, prepare: 这个阶段仅在内部使用,可以不必理会。
  • poll: 等待新的I/O事件,node在一些特殊情况下会阻塞在这里。
  • check: setImmediate()的回调会在这个阶段执行。
  • close callbacks: 例如socket.on(‘close’, …)这种close事件的回调。

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。

process.nextTick方法可以在当前”执行栈”的尾部—-下一次Event Loop(主线程读取”任务队列”)之前—-触发回调函数。也就是说,它指定的任务总是发生在所有异步任务之前。setImmediate方法则是在当前”任务队列”的尾部添加事件,也就是说,它指定的任务总是在下一次Event Loop时执行,这与setTimeout(fn, 0)很像。请看下面的例子:

process.nextTick(function A() {
console.log(1);
process.nextTick(function B(){console.log(2);});
});
setTimeout(function timeout() {
console.log('TIMEOUT FIRED');
}, 0)
// 1
// 2
// TIMEOUT FIRED

上面代码中,由于process.nextTick方法指定的回调函数,总是在当前”执行栈”的尾部触发,所以不仅函数A比setTimeout指定的回调函数timeout先执行,而且函数B也比timeout先执行。这说明,如果有多个process.nextTick语句(不管它们是否嵌套),将全部在当前”执行栈”执行。

现在,再看setImmediate。

setImmediate(function A() {
console.log(1);
setImmediate(function B(){console.log(2);});
});
setTimeout(function timeout() {
console.log('TIMEOUT FIRED');
}, 0);

上面代码中,setImmediate与setTimeout(fn,0)各自添加了一个回调函数A和timeout,都是在下一次Event Loop触发。那么,哪个回调函数先执行呢?答案是不确定。运行结果可能是1–TIMEOUT FIRED–2,也可能是TIMEOUT FIRED–1–2。

setTimeout()方法是定义一个回调,并且希望这个回调在我们所指定的时间间隔后第一时间去执行。注意这个“第一时间执行”,这意味着,受到操作系统和当前执行任务的诸多影响,该回调并不会在我们预期的时间间隔后精准的执行。执行的时间存在一定的延迟和误差,这是不可避免的。node会在可以执行timer回调的第一时间去执行你所设定的任务。

setImmediate()方法从意义上将是立刻执行的意思,但是实际上它却是在一个固定的阶段才会执行回调,即poll阶段之后。

总结

javascrit的事件循环是这门语言中非常重要且基础的概念,也是面试经常提高的知识点,了解了事件循环的执行顺序和每一个阶段的特点,可以使我们对一段异步代码的执行顺序有一个清晰的认识,从而减少代码运行的不确定性。无论对于程序的优化和排错都有重要的作用。

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