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JavaScript的单线程机制

任务队列

事件和回调函数

事件

回调函数

Event Loop

定时器

Node.js的Event Loop

Promise

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js执行机制实例详解

小云云

Mar 14, 2018 pm 05:21 PM

javascript 实例详解

想要理解JavaScript的运行机制，需要分别深刻理解几个点：JavaScript的单线程机制、任务队列（同步任务和异步任务）、事件和回调函数、定时器、Event Loop（事件循环）。

JavaScript的单线程机制

JavaScript的一个语言特性（也是这门语言的核心）就是单线程。单线程简单地说就是同一时间只能做一件事，当有多个任务时，只能按照一个顺序一个完成了再执行下一个。

JavaScript的单线程与它的语言用途是有关的。作为一门浏览器脚本语言，JavaScript的主要用途是完成用户交互、操作DOM。这就决定了它只能是单线程，否则会导致复杂的同步问题。

设想JavaScript同时有两个线程，一个线程需要在某个DOM节点上添加内容，而另一个线程的操作是删除了这个节点，那么浏览器应该以谁为准呢？

所以为了避免复杂性，JavaScript从诞生起就是单线程。

为了提高CPU的利用率，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。所以这个标准并没有改变JavaScript单线程的本质。

任务队列

一个接一个地完成任务也就意味着待完成的任务是需要排队的，那么为什么会需要排队呢？

通常排队有以下两种原因：

任务计算量过大，CPU处于忙碌状态；
任务所需的东西未准备好所以无法继续执行，导致CPU闲置，等待输入输出设备（I/O设备）。

比如有的任务你需要Ajax获取到数据才能往下执行

由此JavaScript的设计者也意识到，这时完全可以先运行后面已经就绪的任务来提高运行效率，也就是把等待中的任务先挂起放到一边，等得到需要的东西再执行。就好比接电话时对方离开了一下，这时正好有另一个来电，于是你便把当前通话挂起，等那个通话结束后，再连回之前的通话。所以也就出现了同步和异步的概念，任务也被分成了两种，一种是同步任务（Synchronous），另一种是异步任务（Asynchronous）。

同步任务：需要执行的任务在主线程上排队，一个接一个，前一个完成了再执行下一个
异步任务：没有马上被执行但需要执行的任务，存放在“任务队列”（task queue）中，“任务队列”会通知主线程什么时候哪个异步任务可以执行，然后这个任务就会进入主线程并被执行。

所有的同步执行都可以看作是没有异步任务的异步执行

具体来说，异步执行如下：

（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）。

也就是所有能被马上执行的任务都在主线程上排好了队，一个接一个的被执行。
（2）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。

也就是说每个异步任务准备好了就会立一个唯一的flag，这个flag用来标识对应的异步任务。
（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，就结束等待状态，进入执行栈开始被执行。

也就是主线程把之前的任务做完了之后，就会来看“任务队列”中的flag，来把对应的异步任务打包来执行。
（4）主线程不断重复以上三步。

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

那怎么知道主线程执行栈为空啊？js引擎存在monitoring process进程，会持续不断的检查主线程执行栈是否为空，一旦为空，就会去Event Queue那里检查是否有等待被调用的函数。

下面用一

张导图来说明主线程和任务队列。

15fdd88994142347.webp.jpg

导图要表达的内容用文字来表述的话：

同步和异步任务分别进入不同的执行”场所”，同步的进入主线程，异步的进入Event Table并注册函数。
当指定的事情完成时，Event Table会将这个函数移入Event Queue。
主线程内的任务执行完毕为空，会去Event Queue读取对应的函数，进入主线程执行。
上述过程会不断重复，也就是常说的Event Loop(事件循环)。

事件和回调函数

事件

“任务队列”是一个事件的队列（也可以理解成是消息的队列），IO设备完成一项任务，就会在“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”。接着主线程读取“任务队列”，查看里面有哪些事件。

“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。

回调函数

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，如果包含“定时器”，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，所以整个的运行机制又称为“Event Loop”（事件循环）。

为了更好地理解Event Loop，下面参照Philip Roberts的演讲中的一张图。

Event Loop

上图中，主线程在运行时，产生了heap（堆）和stack（栈），栈中的代码调用各种外部API，并在“任务队列”中加入各种事件（click，load，done）。当栈中的代码执行完毕，主线程就会读取“任务队列”，并依次执行那些事件所对应的回调函数。

执行栈中的代码（同步任务），总是在读取“任务队列”（异步任务）之前执行。

let data = [];
$.ajax({    url:www.javascript.com,    data:data,    success:() => {        console.log(&#39;发送成功!&#39;);
    }
})console.log(&#39;代码执行结束&#39;);

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上面是一段简易的ajax请求代码：

ajax进入Event Table，注册回调函数success。
执行console.log('代码执行结束')。
ajax事件完成，回调函数success进入Event Queue。
主线程从Event Queue读取回调函数success并执行。

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。

SetTimeout()和setInterval()可以用来注册在指定时间之后单次或重复调用的函数，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，后者会在指定毫秒数的间隔里重复调用:

setInterval(updateClock, 60000); //60秒调用一次updateClock()

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因为它们都是客户端JavaScript中重要的全局函数，所以定义为Window对象的方法。

但作为通用函数，其实不会对窗口做什么事情。

Window对象的setTImeout()方法用来实现一个函数在指定的毫秒数之后运行。所以它接受两个参数，第一个是回调函数，第二个是推迟执行的毫秒数。 setTimeout()和setInterval()返回一个值，这个值可以传递给clearTimeout()用于取消这个函数的执行。

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

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

如果将setTimeout()的第二个参数设为0，就表示当前代码执行完（执行栈清空）以后，立即执行（0毫秒间隔）指定的回调函数。

setTimeout(function(){console.log(1);}, 0);console.log(2)

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上面代码的执行结果总是2，1，因为只有在执行完第二行以后，系统才会执行“任务队列”中的回调函数。

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，也就是尽可能早地执行。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。

需要注意的是，setTimeout()只是将事件插入了“任务队列”，必须等到当前代码（执行栈）执行完，主线程才会去执行它指定的回调函数。要是当前代码耗时很长，有可能要等很久，所以并没有办法保证回调函数一定会在setTimeout()指定的时间执行。

由于历史原因，setTimeout()和setInterval()的第一个参数可以作为字符串传入。如果这么做，那这个字符串会在指定的超时时间或间隔之后进行求值（相当于执行eval()）。

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。

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(&#39;TIMEOUT FIRED&#39;);
}, 0)// 1// 2// TIMEOUT FIRED

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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(&#39;TIMEOUT FIRED&#39;);
}, 0);

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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。

令人困惑的是，Node.js文档中称，setImmediate指定的回调函数，总是排在setTimeout前面。实际上，这种情况只发生在递归调用的时候。

setImmediate(function (){setImmediate(function A() {console.log(1);
setImmediate(function B(){console.log(2);});});
setTimeout(function timeout() {console.log(&#39;TIMEOUT FIRED&#39;);
}, 0);
}); 
// 1 // TIMEOUT FIRED // 2

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上面代码中，setImmediate和setTimeout被封装在一个setImmediate里面，它的运行结果总是1–TIMEOUT FIRED–2，这时函数A一定在timeout前面触发。至于2排在TIMEOUT FIRED的后面（即函数B在timeout后面触发），是因为setImmediate总是将事件注册到下一轮Event Loop，所以函数A和timeout是在同一轮Loop执行，而函数B在下一轮Loop执行。

我们由此得到了process.nextTick和setImmediate的一个重要区别：多个process.nextTick语句总是在当前”执行栈”一次执行完，多个setImmediate可能则需要多次loop才能执行完。事实上，这正是Node.js 10.0版添加setImmediate方法的原因，否则像下面这样的递归调用process.nextTick，将会没完没了，主线程根本不会去读取”事件队列”！

process.nextTick(function foo() {process.nextTick(foo);
});

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事实上，现在要是你写出递归的process.nextTick，Node.js会抛出一个警告，要求你改成setImmediate。

另外，由于process.nextTick指定的回调函数是在本次”事件循环”触发，而setImmediate指定的是在下次”事件循环”触发，所以很显然，前者总是比后者发生得早，而且执行效率也高（因为不用检查”任务队列”）。

Promise

除了广义的同步任务和异步任务，任务还有更精细的定义：

macro-task(宏任务)：包括整体代码script，setTimeout，setInterval
micro-task(微任务)：Promise，process.nextTick

事件循环，宏任务，微任务的关系如图所示：

按照宏任务和微任务这种分类方式，JS的执行机制是

执行一个宏任务,过程中如果遇到微任务,就将其放到微任务的【事件队列】里
当前宏任务执行完成后,会查看微任务的【事件队列】,并将里面全部的微任务依次执行完

请看下面的例子：

setTimeout(function(){
     console.log(&#39;定时器开始啦&#39;)
 });

 new Promise(function(resolve){
     console.log(&#39;马上执行for循环啦&#39;);     for(var i = 0; i < 10000; i++){
         i == 99 && resolve();
     }
 }).then(function(){
     console.log(&#39;执行then函数啦&#39;)
 }); console.log(&#39;代码执行结束&#39;);

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首先执行script下的宏任务,遇到setTimeout,将其放到宏任务的【队列】里
遇到 new Promise直接执行,打印”马上执行for循环啦”
遇到then方法,是微任务,将其放到微任务的【队列里】
打印 “代码执行结束”
本轮宏任务执行完毕,查看本轮的微任务,发现有一个then方法里的函数, 打印”执行then函数啦”
到此,本轮的event loop 全部完成。
下一轮的循环里,先执行一个宏任务,发现宏任务的【队列】里有一个 setTimeout里的函数,执行打印”定时器开始啦”

所以最后的执行顺序是【马上执行for循环啦 — 代码执行结束 — 执行then函数啦 — 定时器开始啦】

我们来分析一段较复杂的代码，看看你是否真的掌握了js的执行机制：

console.log(&#39;1&#39;);

setTimeout(function() {
    console.log(&#39;2&#39;);    process.nextTick(function() {
        console.log(&#39;3&#39;);
    })
    new Promise(function(resolve) {
        console.log(&#39;4&#39;);
        resolve();
    }).then(function() {
        console.log(&#39;5&#39;)
    })
})process.nextTick(function() {
    console.log(&#39;6&#39;);
})
new Promise(function(resolve) {
    console.log(&#39;7&#39;);
    resolve();
}).then(function() {
    console.log(&#39;8&#39;)
})

setTimeout(function() {
    console.log(&#39;9&#39;);    process.nextTick(function() {
        console.log(&#39;10&#39;);
    })
    new Promise(function(resolve) {
        console.log(&#39;11&#39;);
        resolve();
    }).then(function() {
        console.log(&#39;12&#39;)
    })
})

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第一轮事件循环流程分析如下：

整体script作为第一个宏任务进入主线程，遇到console.log，输出1。
遇到setTimeout，其回调函数被分发到宏任务Event Queue中。我们暂且记为setTimeout1。
遇到process.nextTick()，其回调函数被分发到微任务Event Queue中。我们记为process1。
遇到Promise，new Promise直接执行，输出7。then被分发到微任务Event Queue中。我们记为then1。
又遇到了setTimeout，其回调函数被分发到宏任务Event Queue中，我们记为setTimeout2。

宏任务Event Queue	微任务Event Queue
setTimeout1	process1
setTimeout2	then1

* 上表是第一轮事件循环宏任务结束时各Event Queue的情况，此时已经输出了1和7。

我们发现了process1和then1两个微任务。
执行process1,输出6。
执行then1，输出8。

好了，第一轮事件循环正式结束，这一轮的结果是输出1，7，6，8。那么第二轮时间循环从setTimeout1宏任务开始：

首先输出2。接下来遇到了process.nextTick()，同样将其分发到微任务Event Queue中，记为process2。new Promise立即执行输出4，then也分发到微任务Event Queue中，记为then2。

宏任务Event Queue	微任务Event Queue
setTimeout2	process2
	then2

* 第二轮事件循环宏任务结束，我们发现有process2和then2两个微任务可以执行。
* 输出3。
* 输出5。
* 第二轮事件循环结束，第二轮输出2，4，3，5。
* 第三轮事件循环开始，此时只剩setTimeout2了，执行。
* 直接输出9。
* 将process.nextTick()分发到微任务Event Queue中。记为process3。
* 直接执行new Promise，输出11。
* 将then分发到微任务Event Queue中，记为then3。