詳細介紹JavaScript單線程的一些事（圖）

詳細介紹JavaScript單線程的一些事（圖）

最近被同學問道 JavaScript 單線程的一些事，我竟回答不上。好吧，我覺得自己的 JavaScript 白學了。以下是我這幾天整理的一些關於 JavaScript 單線程的一些事。

首先，說下為什麼 JavaScript 是單線程？

總所周知，JavaScript是以單執行緒的方式運作的。說到執行緒就自然聯想到進程。那它們有什麼關聯呢？

行程和執行緒都是作業系統的概念。進程是應用程式的執行實例，每一個進程都是由私有的虛擬位址空間、程式碼、資料和其它系統資源所組成；進程在運行過程中能夠申請創建和使用系統資源（如獨立的記憶體區域等） ，這些資源也會隨著進程的終止而被銷毀。而執行緒則是進程內的一個獨立執行單元，在不同的執行緒之間是可以共享進程資源的，所以在多執行緒的情況下，需要特別注意對臨界資源的存取控制。在系統建立程序之後就開始啟動執行程序的主線程，而進程的生命週期和這個主線程的生命週期一致，主線程的退出也意味著進程的終止和銷毀。主線程是由系統進程所創建的，同時使用者也可以自主創建其它線程，這一系列的線程都會並發地運行於同一個進程中。

顯然，在多執行緒操作下可以實現應用的平行處理，從而以更高的CPU利用率提高整個應用程式的效能和吞吐量。特別是現在很多語言都支援多核心並行處理技術，然而JavaScript卻以單執行緒執行，為什麼呢？

其實這跟它的用途有關。作為瀏覽器腳本語言，JavaScript的主要用途是與使用者互動，以及操作DOM。若以多執行緒的方式操作這些DOM，則可能出現操作的衝突。假設有兩個執行緒同時操作一個DOM元素，執行緒1要求瀏覽器刪除DOM，而執行緒2卻要求修改DOM樣式，這時瀏覽器就無法決定採用哪個執行緒的操作。當然，我們可以為瀏覽器引入「鎖」的機制來解決這些衝突，但這會大大提高複雜性，所以 JavaScript 從誕生開始就選擇了單執行緒執行。

另外，因為 JavaScript 是單執行緒的，在某一時刻內只能執行特定的一個任務，並且會阻塞其它任務執行。那麼對於類似I/O等耗時的任務，就沒必要等他們執行完後才繼續後面的操作。在這些任務完成前，JavaScript完全可以往下執行其他操作，當這些耗時的任務完成後則以回呼的方式執行對應處理。這些就是JavaScript與生俱來的特性：非同步與回呼。

當然對於不可避免的耗時操作（如：繁重的運算，多重循環），HTML5提出了Web Worker，它會在當前JavaScript的執行主線程中利用Worker類別新開闢一個額外的線程來載入和運行特定的JavaScript文件，這個新的線程和JavaScript的主線程之間並不會互相影響和阻塞執行，而且在Web Worker中提供了這個新線程和JavaScript主線程之間數據交換的接口： postMessage和onMessage事件。但在HTML5 Web Worker中是不能操作DOM的，任何需要操作DOM的任務都需要委託給JavaScript主執行緒來執行，所以雖然引入HTML5 Web Worker，但仍然沒有改線JavaScript單執行緒的本質。

並發模式與Event Loop

JavaScript 有個基於「Event Loop」並發的模型。

啊，並發？不是說 JavaScript是單線程嗎？ 沒錯，的確是單線程，但是並發與並行是有差別的。前者是邏輯上的同時發生，而後者是物理上的同時發生。所以，單核心處理器也能實現並發。

並發與並行

並行大家都好理解，而所謂「並發」是指兩個或兩個以上的事件在同一時間間隔中發生。如上圖的第一個表，由於電腦系統只有一個CPU，故ABC三個程式從「微觀」上是交替使用CPU，但交替時間很短，用戶察覺不到，形成了「宏觀」意義上的並發操作。

Runtime 概念

下面的內容解釋一個理論上的模型。現代 JavaScript 引擎已著重實現和優化了以下所描述的幾個概念。

Stack（堆疊）

這裡放著JavaScript正在執行的任務。每個任務被稱為幀（stack of frames）。

function f(b){
  var a = 12;
  return a+b+35;
}

function g(x){
  var m = 4;
  return f(m*x);
}

g(21);

上述程式碼呼叫 g 時，建立堆疊的第一幀，該幀包含了 g 的參數和局部變數。當 g 呼叫 f 時，第二幀就會被創建，並且置於第一幀之上，當然，該幀也包含了 f 的參數和局部變數。當 f 返回時，其對應的訊框就會出棧。同理，當 g 返回時，堆疊就為空了（堆疊的特定就是後進先出 Last-in first-out (LIFO)）。

Heap（堆）

一個用來表示記憶體中一大片非結構化區域的名字，物件都被分配在這裡。

Queue（佇列）

一個 JavaScript runtime 包含了一個任務佇列，該佇列由一系列待處理的任務組成。而每個任務都有相對應的函數。當棧為空時，就會從任務佇列中取出一個任務，並處理之。此處理會呼叫與該任務相關聯的一系列函數（因此會建立初始堆疊幀）。當該任務處理完畢後，棧就會再次為空。 （Queue的特色是先進先出 First-in First-out (FIFO)）。

為了方便描述與理解，作出以下約定：

• Stack堆疊為主執行緒

• Queue佇列為任務佇列（等待調度到主執行緒執行）

OK，上述知識點幫助我們釐清了一個JavaScript runtime 的相關概念，這有助於接下來的分析。

Event Loop

之所以被稱為Event loop，是因為它以以下類似方式實作：

while(queue.waitForMessage()){
  queue.processNextMessage();
}

如上述所說，「任務佇列」是一個事件的隊列，如果I/O設備完成任務或用戶觸發事件（該事件指定了回調函數），那麼相關事件處理函數就會進入“任務隊列”，當主線程空閒時，就會調度“任務隊列”裡第一個待處理任務，（FIFO）。當然，對於定時器，當到達其指定時間時，才會將對應任務插到「任務佇列」尾部。

「執行至完成」

每當某個任務執行完後，其它任務才會被執行。也就是說，當一個函數運行時，它不能被取代且會在其它程式碼運行前先完成。
當然，這也是Event Loop的缺點：當一個任務完成時間過長，那麼應用程式就無法及時處理使用者的互動（如點擊事件），甚至導致該應用程式奔潰。一個比較好解決方案是：將任務完成時間縮短，或盡可能將一個任務分成多個任務執行。

絕不阻塞

JavaScript與其它語言不同，其Event Loop的一個特性是永遠不會阻塞。 I/O操作通常是透過事件和回呼函數處理。所以，當應用程式等待 indexedDB 或 XHR 非同步請求返回時，其仍能處理其它操作（如使用者輸入）。

例外是存在的，如alert或同步XHR，但避免它們被認為是最佳實踐。注意的是，例外的例外也是存在的（但通常是實現錯誤而非其它原因)。

計時器

計時器的一些概念

上面也提到，在到達指定時間時，計時器就會將對應回呼函數插入「任務佇列」尾部。這就是「定時器(timer)」功能。

計時器包含setTimeout與setInterval兩個方法。它們的第二個參數是指定其回呼函數推遲\每隔多少毫秒數後執行。
對於第二個參數有以下需要注意的地方：

• 當第二個參數缺省時，預設為0；

• 當指定的值小於4毫秒，則增加到4ms（4ms是HTML5標準指定的，對於2010年及之前的瀏覽器則是10ms）；

##如果你理解上述知識，那麼以下程式碼就應該對你沒什麼問題了：

console.log(1);
setTimeout(function(){
    console.log(2);
},10);
console.log(3);
// 输出：1 3 2

深入了解計時器

零延遲setTimeout(func, 0)

• 零延遲並不是意味著回呼函數立刻執行。它取決於主執行緒目前是否空閒與「任務佇列」裡其前面正在等待的任務。
  看看以下程式碼：

(function () {

  console.log('this is the start');

  setTimeout(function cb() {
    console.log('this is a msg from call back');
  });

  console.log('this is just a message');

  setTimeout(function cb1() {
    console.log('this is a msg from call back1');
  }, 0);

  console.log('this is the  end');

})();

// 输出如下：
this is the start
this is just a message
this is the end
undefined // 立即调用函数的返回值
this is a msg from callback
this is a msg from a callback1

• setTimeout(func, 0)的作用

讓瀏覽器渲染目前的變化（很多瀏覽器UI render和js執行是放在一個線程中，線程阻塞會導致介面無法更新渲染）

重新評估”scriptis running too long”警告

改變執行順序############再看看以下程式碼：###

<button id=&#39;do&#39;> Do long calc!</button>
<p id=&#39;status&#39;></p>
<p id=&#39;result&#39;></p>

$(&#39;#do&#39;).on(&#39;click&#39;, function(){

  $(&#39;#status&#39;).text(&#39;calculating....&#39;);// 此处会触发redraw事件，但会放到队列里执行，直到long()执行完。

  // 没设定定时器，用户将无法看到“calculating...”
  long();// 执行长时间任务，造成阻塞

  // 设定了定时器，用户就如期看到“calculating...”
  //setTimeout(long,50);// 大约50ms后，将耗时长的long回调函数插入“任务队列”末尾，根据先进先出原则，其将在redraw之后被调度到主线程执行

 });

function long(){
  var result = 0
  for (var i = 0; i<1000; i++){
    for (var j = 0; j<1000; j++){
      for (var k = 0; k<1000; k++){
        result = result + i+j+k
      }
    } 
  }
  $(&#39;#status&#39;).text(&#39;calclation done&#39;); // 在本案例中，该语句必须放到这里，这将使它与回调函数的行为类似
}

######正版與翻版setInterval的差異#### #####大家可能都知道透過setTimeout可以模仿setInterval的效果，下面我們來看看以下程式碼的差別：###

// 利用setTimeout模仿setInterval
setTimeout(function(){
    /* 执行一些操作. */
    setTimeout(arguments.callee, 10);
}, 1000);

setInterval(function(){
    /* 执行一些操作 */
}, 1000);

###可能你認為這沒什麼差別。的確，當回呼函數裡的操作耗時很短時，並不能看出它們有什麼不同。 ###

其实：上面案例中的 setTimeout 总是会在其回调函数执行后延迟 10ms（或者更多，但不可能少）再次执行回调函数，从而实现setInterval的效果，而 setInterval 总是 10ms 执行一次，而不管它的回调函数执行多久。

所以，如果 setInterval 的回调函数执行时间比你指定的间隔时间相等或者更长，那么其回调函数会连在一起执行。

你可以试试运行以下代码：

var counter = 0;
var initTime = new Date().getTime();
var timer = setInterval(function(){
    if(counter===2){
        clearInterval(timer);
    }
    if(counter === 0){
        for(var i = 0; i < 1990000000; i++){
            ;
        }
    }

    console.log("第"+counter+"次：" + (new Date().getTime() - initTime) + " ms");

    counter++;
},1000);

我电脑Chrome浏览器的输入如下：

第0次：2007 ms
第1次：2013 ms
第2次：3008 ms

浏览器

浏览器不是单线程的

上面说了这么多关于JavaScript是单线程的，下面说说其宿主环境——浏览器。

浏览器的内核是多线程的，它们在内核制控下相互配合以保持同步，一个浏览器至少实现三个常驻线程：

1. javascript引擎线程 javascript引擎是基于事件驱动单线程执行的，JS引擎一直等待着任务队列中任务的到来，然后加以处理，浏览器无论什么时候都只有一个JS线程在运行JS程序。

2. GUI渲染线程 GUI渲染线程负责渲染浏览器界面，当界面需要重绘（Repaint）或由于某种操作引发回流(reflow)时,该线程就会执行。但需要注意GUI渲染线程与JS引擎是互斥的，当JS引擎执行时GUI线程会被挂起，GUI更新会被保存在一个队列中等到JS引擎空闲时立即被执行。

3. 浏览器事件触发线程 事件触发线程，当一个事件被触发时该线程会把事件添加到“任务队列”的队尾，等待JS引擎的处理。这些事件可来自JavaScript引擎当前执行的代码块如setTimeOut、也可来自浏览器内核的其他线程如鼠标点击、AJAX异步请求等，但由于JS是单线程执行的，所有这些事件都得排队等待JS引擎处理。

在Chrome浏览器中，为了防止因一个标签页奔溃而影响整个浏览器，其每个标签页都是一个进程。当然，对于同一域名下的标签页是能够相互通讯的，具体可看 浏览器跨标签通讯。在Chrome设计中存在很多的进程，并利用进程间通讯来完成它们之间的同步，因此这也是Chrome快速的法宝之一。对于Ajax的请求也需要特殊线程来执行，当需要发送一个Ajax请求时，浏览器会开辟一个新的线程来执行HTTP的请求，它并不会阻塞JavaScript线程的执行，当HTTP请求状态变更时，相应事件会被作为回调放入到“任务队列”中等待被执行。

看看以下代码：

document.onclick = function(){
    console.log("click")
}

for(var i = 0; i< 100000000; i++);

解释一下代码：首先向document注册了一个click事件，然后就执行了一段耗时的for循环，在这段for循环结束前，你可以尝试点击页面。当耗时操作结束后，console控制台就会输出之前点击事件的”click”语句。这视乎证明了点击事件（也包括其它各种事件）是由额外单独的线程触发的，事件触发后就会将回调函数放进了“任务队列”的末尾，等待着JavaScript主线程的执行。

总结

• JavaScript是单线程的，同一时刻只能执行特定的任务。而浏览器是多线程的。

• 异步任务（各种浏览器事件、定时器等）都是先添加到“任务队列”（定时器则到达其指定参数时）。当Stack栈（JS主线程）为空时，就会读取Queue队列（任务队列）的第一个任务（队首），然后执行。

JavaScript为了避免复杂性，而实现单线程执行。而今JavaScript却变得越来越不简单了，当然这也是JavaScript迷人的地方。

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