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Node.js 事件循環

高洛峰

Nov 18, 2016 pm 12:50 PM

node.js

什麼是事件循環（Event Loop）

事件循環能讓Node.js 執行非阻塞I/O 操作-- 儘管JavaScript事實上是單線程的-- 透過在可能的情況下把操作交給操作系統核心來實現。

由於大多數現代系統核心是多執行緒的，核心可以處理後台執行的多個操作。當其中一個操作完成的時候，核心告訴 Node.js，相應的回調就被加入到輪詢隊列（poll queue）並最終執行。本主題接著會說明更多相關細節。

事件循環

Node.js 開始的時候會初始化事件循環，處理目標腳本，腳本可能會進行異步API、定時任務或process.nextTickcess.nextTickcess.nextTickcess.nextTickcess。

下面的表格簡單描述了事件循環的操作順序。

Node.js 事件循環

註：每個方框代表事件循環中的一個階段。

每個階段都有一個需要執行的回呼函數的先入先出（FIFO）隊列。同時，每個階段都是特殊的，基本上，當事件循環進行到某個階段時，會執行該階段特有的操作，然後執行該階段隊列中的回調，直到隊列空了或達到了執行次數限制。這時候，事件循環會進入下一個階段，循環往復。

由於這些操作可能產生更多的計劃任務操作，並且輪詢階段處理的新事件會被加入到核心的隊列，輪詢事件被處理的時候會有新的輪詢事件加入。於是，長時回調任務會導致輪詢階段的時間超過了定時器的閾值。詳情請見定時器（timers）和輪詢（poll）部分。

註：Windows 和 Unix/Linux 的實現有輕微的矛盾之處，但不影響剛才的描述。最重要的部分都有了。其實有七、八個階段，但我們關注的 -- Node.js 實際使用的 -- 就是上面這些。

階段總覽（Phases Overview）

計時器（timers）：本階段執行setTimeout() 和setInterval() 計劃的回調；回調，由定時器和setImmediate()計劃的回調；

空閒，預備（idle，prepare）：只內部使用；

輪詢（poll）：獲取新的I/O 事件；nodejs這時會適當進行進行阻塞；

檢查（check）：調用setImmediate() 的回調；

close callbacks：例如socket.on('close', ... );

在事件循環運行之間，Node.js 檢查是否有正在等待的非同步I/O 或定時器，如果沒有就清除並結束。

階段細部

定時器（timers）

定時器的用途是讓指定的時間點回準的閾值。定時器的回調會在製定的時間過後儘快得到執行，然而，作業系統的計畫或其他回呼的執行可能會延遲該回呼的執行。

註：從技術上來看，輪詢階段控制了定時器的執行時機。

例如，你設定了在100ms後執行某個操作，然後腳本開始執行一個需要95ms的文件讀取操作：

var fs = require(&#39;fs&#39;);

function someAsyncOperation (callback) {
  // Assume this takes 95ms to complete
  fs.readFile(&#39;/path/to/file&#39;, callback);
}

var timeoutScheduled = Date.now();

setTimeout(function () {

  var delay = Date.now() - timeoutScheduled;

  console.log(delay + "ms have passed since I was scheduled");
}, 100);


// do someAsyncOperation which takes 95 ms to completesomeAsyncOperation(function () {

  var startCallback = Date.now();

  // do something that will take 10ms...
  while (Date.now() - startCallback < 10) {
    ; // do nothing
  }

});

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當事件循環進入輪詢階段時，隊列是空的（fs. readFile()還沒完成），因此時間會繼續流逝知道最快的定時器需要執行。過了95ms後，fs.readFile() 讀完檔案了，它的回呼被加入到輪詢隊列，這個回呼需要執行10ms。等到這個回呼執行完，佇列中沒有回調了，這時事件循環看到了最近到時的定時器，然後回到定時器階段（timers phase）來執行先前的定時器回調。

在這個例子中，從定義定時器到回調執行中間過了105ms。

註：為了防止輪詢階段持續時間太長，libuv 會根據作業系統的不同設定一個輪詢的上限。

I/O callbacks

這個階段執行一些諸如TCP錯誤之類的系統操作的回調。例如，如果一個TCP socket 在嘗試連線時收到了 ECONNREFUSED錯誤，某些 *nix 系統會等著報告這個錯誤。這個就會被排到本階段的隊列中。

輪詢（poll）

輪詢階段有兩個主要功能：

1，執行已經到時的定時器腳本，然後

隊列中

2，處理

當事件循環進入到輪詢階段卻沒有發現定時器時：

如果輪詢隊列非空，事件循環會迭代回調隊列並同步執行回調，直到隊列空了或者達到了上限（前文說過的根據作業系統的不同而設定的上限）。

如果轮询队列是空的：

如果有setImmediate()定义了回调，那么事件循环会终止轮询阶段并进入检查阶段去执行定时器回调；

如果没有setImmediate()，事件回调会等待回调被加入队列并立即执行。

一旦轮询队列空了，事件循环会查找已经到时的定时器。如果找到了，事件循环就回到定时器阶段去执行回调。

检查（check）

这个阶段允许回调函数在轮询阶段完成后立即执行。如果轮询阶段空闲了，并且有回调已经被 setImmediate() 加入队列，事件循环会进入检查阶段而不是在轮询阶段等待。

setImmediate() 是个特殊的定时器，在事件循环中一个单独的阶段运行。它使用libuv的API 来使得回调函数在轮询阶段完成后执行。

基本上，随着代码的执行，事件循环会最终进入到等待状态的轮询阶段，可能是等待一个连接、请求等。然而，如果有一个setImmediate() 设置了一个回调并且轮询阶段空闲了，那么事件循环会进入到检查阶段而不是等待轮询事件。 ---- 这车轱辘话说来说去的

关闭事件的回调（close callbacks）

如果一个 socket 或句柄（handle）被突然关闭（is closed abruptly），例如 socket.destroy()， 'close' 事件会被发出到这个阶段。否则这种事件会通过 process.nextTick() 被发出。

setImmediate() vs setTimeout()

这两个很相似，但调用时机会的不同会导致它们不同的表现。

setImmediate() 被设计成一旦轮询阶段完成就执行回调函数；

setTimeout() 规划了在某个时间值过后执行回调函数；

这两个执行的顺序会因为它们被调用时的上下文而有所不同。如果都是在主模块调用，那么它们会受到进程性能的影响（运行在本机的其他程序会影响它们）。

例如，如果我们在非 I/O 循环中运行下面的脚本（即在主模块中），他俩的顺序是不固定的，因为会受到进程性能的影响：

// timeout_vs_immediate.jssetTimeout(function timeout () {
  console.log(&#39;timeout&#39;);
},0);

setImmediate(function immediate () {
  console.log(&#39;immediate&#39;);
});

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$ node timeout_vs_immediate.js

timeout

immediate

$ node timeout_vs_immediate.js

immediate

timeout

但是如果把它们放进 I/O 循环中，setImmediate() 的回调总是先执行：

// timeout_vs_immediate.jsvar fs = require(&#39;fs&#39;)

fs.readFile(__filename, () => {
  setTimeout(() => {
    console.log(&#39;timeout&#39;)
  }, 0)
  setImmediate(() => {
    console.log(&#39;immediate&#39;)
  })
})

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$ node timeout_vs_immediate.js

immediate

timeout

$ node timeout_vs_immediate.js

immediate

timeout

setImmediate() 比 setTimeout() 优势的地方是 setImmediate() 在 I/O 循环中总是先于任何定时器，不管已经定义了多少定时器。

process.nextTick()

理解 process.nextTick()

你可能已经注意到了 process.nextTick() 没有在上面那个表格里出现，虽然它确实是一个异步API。这是因为它技术上不属于事件循环。然而，nextTickQueue 会在当前操作结束后被处理，不管是在事件循环的哪个阶段。

回头看看之前那个表格，你在某个阶段的任何时候调用它，它的所有回调函数都会在事件循环继续进行之前得到处理。有时候这会导致比较糟糕的情况，因为它允许你用递归调用的方式去“阻塞” I/O，这会让事件循环无法进入到轮询阶段。

为什么要允许这样

部分是因为 Node.js 的设计哲学：API 应该总是异步的，即使本不需要是异步。

blablabla，后面几段看的我有点尴尬+晕。既尴尬又晕是觉得这几段说的有点啰嗦，而且举的例子不合适。例子要么是同步的，不是异步的。要么是例子里的写法完全可以避免，比如应该先添加 'connect' 事件监听再进行 .connect() 操作；又或者变量声明最好放在变量使用之前，可以避免变量的提前声明和当时赋值的麻烦。

难道是我没理解里面的秘辛？

process.nextTick() vs setTimeout()

这两个函数有些相似但是名字让人困惑：

process.netxtTick() 在事件循环的当前阶段立即生效；

setImmediate() 生效是在接下来的迭代或者事件循环的下一次tick；

本质上，它们的名字应该互换一下。process.nextTick() 比 setImmediate() 更“立刻”执行，但这是个历史问题没法改变。如果改了，npm上大堆的包就要挂了。

我们推荐开发者在所有情况下都使用 setImmediate() 因为它更显而易见（reason about），另外兼容性也更广，例如浏览器端。

为什么使用 process.nextTick()

有两大原因：

允许用户处理错误，清理不需要的资源，或许在事件循环结束前再次尝试发送请求；

必须让回调函数在调用栈已经清除（unwound）后并且事件循环继续下去之前执行；

下面的两个例子都是类似的，即在 line1 派发事件，却在 line2 才添加监听，因此监听的回调是不可能被执行到的。

于是可以用 process.nextTick() 使得当前调用栈先执行完毕，也即先执行 line2 注册事件监听，然后在 nextTick 派发事件。

const EventEmitter = require(&#39;events&#39;);
const util = require(&#39;util&#39;);

function MyEmitter() {
  EventEmitter.call(this);

  // use nextTick to emit the event once a handler is assigned
  process.nextTick(function () {
    this.emit(&#39;event&#39;);
  }.bind(this));
}
util.inherits(MyEmitter, EventEmitter);

const myEmitter = new MyEmitter();
myEmitter.on(&#39;event&#39;, function() {
  console.log(&#39;an event occurred!&#39;);
});

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翻译总结：

这篇文章写的不太简练，也可能为了有更多的受众吧，我感觉车轱辘话比较多，一个意思要说好几遍。

从编程应用的角度简单来说：

Node.js 中的事件循环大概有七八个阶段，每个阶段都有自己的队列（queue），需要等本阶段的队列处理完成后才进入其他阶段。阶段之间会互相转换，循环顺序并不是完全固定的，因为很多阶段是由外部的事件触发的。

其中比较重要的是三个：

定时器阶段 timers：
定时器阶段执行定时器任务（setTimeOut(), setInterval()）。

轮询阶段 poll：

轮询阶段由 I/O 事件触发，例如 'connect'，'data' 等。这是比较重/重要的阶段，因为大部分程序功能就是为了 I/O 数据。

本阶段会处理定时器任务和 poll 队列中的任务，具体逻辑：

如果有 setImmediate()，终止轮询阶段并进入检查阶段去执行；

如果没有 setImmediate()，那么就查看有没有到期的定时器，有的话就回到定时器阶段执行回调函数；