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Node.js 事件循环

高洛峰

Nov 18, 2016 pm 12:50 PM

node.js

什么是事件循环（Event Loop）

事件循环能让 Node.js 执行非阻塞 I/O 操作 -- 尽管JavaScript事实上是单线程的 -- 通过在可能的情况下把操作交给操作系统内核来实现。

由于大多数现代系统内核是多线程的，内核可以处理后台执行的多个操作。当其中一个操作完成的时候，内核告诉 Node.js，相应的回调就被添加到轮询队列（poll queue）并最终得到执行。本主题随后会解释更多相关细节。

事件循环

Node.js 开始的时候会初始化事件循环，处理目标脚本，脚本可能会进行异步API调用、定时任务或者process.nextTick()，然后开始进行事件循环。

下面的表格简要描述了事件循环的操作顺序。

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注：每个方框代表事件循环中的一个阶段。

每个阶段都有一个需要执行的回调函数的先入先出（FIFO）队列。同时，每个阶段都是特殊的，基本上，当事件循环进行到某个阶段时，会执行该阶段特有的操作，然后执行该阶段队列中的回调，直到队列空了或者达到了执行次数限制。这时候，事件循环会进入下一个阶段，循环往复。

由于这些操作可能产生更多的计划任务操作，并且轮询阶段处理的新事件会被加入到内核的队列，轮询事件被处理的时候会有新的轮询事件加入。于是，长时回调任务会导致轮询阶段的时间超过了定时器的阈值。详情见定时器（timers）和轮询（poll）部分。

注：Windows 和 Unix/Linux 的实现有轻微的矛盾之处，但并不影响刚才的描述。最重要的部分都有了。实际上有七八个阶段，但我们关注的 -- Node.js 实际使用的 -- 就是上面这些。

阶段总览（Phases Overview）

计时器（timers）：本阶段执行setTimeout() 和 setInterval() 计划的回调；

I/O 回调：执行几乎全部发生异常的 close 回调，由定时器和setImmediate()计划的回调；

空闲，预备（idle，prepare）：只内部使用；

轮询（poll）：获取新的 I/O 事件；nodejs这时会适当进行阻塞；

检查（check）：调用 setImmediate() 的回调；

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

在事件循环运行之间，Node.js 检查是否有正在等待的异步I/O 或者定时器，如果没有就清除并结束。

阶段细节

定时器（timers）

定时器的用途是让指定的回调函数在某个阈值后会被执行，具体的执行时间并不一定是那个精确的阈值。定时器的回调会在制定的时间过后尽快得到执行，然而，操作系统的计划或者其他回调的执行可能会延迟该回调的执行。

注：从技术上来看，轮询阶段控制了定时器的执行时机。

例如，你设定了在100ms后执行某个操作，然后脚本开始执行一个需要95ms的文件读取操作：

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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当事件循环进入轮询阶段时，队列是空的（fs.readFile()还没完成），因此时间会继续流逝知道最快的定时器需要执行。过了95ms后，fs.readFile() 读完文件了，它的回调被添加到轮询队列，这个回调需要执行10ms。等到这个回调执行完，队列中没有回调了，这时事件循环看到了最近到时的定时器，然后回到定时器阶段（timers phase）来执行之前的定时器回调。

在这个例子中，从定义定时器到回调执行中间过了105ms。

注：为了防止轮询阶段持续时间太长，libuv 会根据操作系统的不同设置一个轮询的上限。

I/O callbacks

这个阶段执行一些诸如TCP错误之类的系统操作的回调。例如，如果一个TCP socket 在尝试连接时收到了 ECONNREFUSED错误，某些 *nix 系统会等着报告这个错误。这个就会被排到本阶段的队列中。

轮询（poll）

轮询阶段有两个主要功能：

1，执行已经到时的定时器脚本，然后

2，处理轮询队列中的事件。

当事件循环进入到轮询阶段却没有发现定时器时：

如果轮询队列非空，事件循环会迭代回调队列并同步执行回调，直到队列空了或者达到了上限（前文说过的根据操作系统的不同而设定的上限）。

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；