JavaScript 运行机制详解:再谈Event Loop

silversnake 发布于2年前
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  一年前,我写了一篇《什么是 Event Loop?》,谈了我对Event Loop的理解。

  上个月,我偶然看到了Philip Roberts的演讲《Help, I'm stuck in an event-loop》。这才尴尬地发现,自己的理解是错的。我决定重写这个题目,详细、完整、正确地描述JavaScript引擎的内部运行机制。下面就是我的重写。

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JavaScript 运行机制详解:再谈Event Loop

 一、为什么JavaScript是单线程?

  JavaScript语言的一大特点就是单线程,也就是说,同一个时间只能做一件事。那么,为什么JavaScript不能有多个线程呢?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,为了避免复杂性,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,但是子线程完全受主线程控制,且不得操作DOM。所以,这个新标准并没有改变JavaScript单线程的本质。

 二、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CPU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,JavaScript就有了两种执行方式:一种是CPU按顺序执行,前一个任务结束,再执行下一个任务,这叫做同步执行;另一种是CPU跳过等待时间长的任务,先处理后面的任务,这叫做异步执行。程序员自主选择,采用哪种执行方式。

  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"(task queue)。系统把异步任务放到"任务队列"之中,然后继续执行后续的任务。

(3)一旦"执行栈"中的所有任务执行完毕,系统就会读取"任务队列"。如果这个时候,异步任务已经结束了等待状态,就会从"任务队列"进入执行栈,恢复执行。

(4)主线程不断重复上面的第三步。

  下图就是主线程和任务队列的示意图。

JavaScript 运行机制详解:再谈Event Loop

  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。

 三、事件和回调函数

  "任务队列"实质上是一个事件的队列(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,当异步任务从"任务队列"回到执行栈,回调函数就会执行。

  "任务队列"是一个先进先出的数据结构,排在前面的事件,优先返回主线程。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返回主线程。但是,由于存在后文提到的"定时器"功能,主线程要检查一下执行时间,某些事件必须要在规定的时间返回主线程。

 四、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)。

  为了更好地理解Event Loop,请看下图(转引自Philip Roberts的演讲《Help, I'm stuck in an event-loop》)。

JavaScript 运行机制详解:再谈Event Loop

  上图中,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。

  执行栈中的代码,总是在读取"任务队列"之前执行。请看下面这个例子。


    var req = new XMLHttpRequest();
    req.open('GET', url);    
    req.onload = function (){};    
    req.onerror = function (){};    
    req.send();

  上面代码中的req.send方法是Ajax操作向服务器发送数据,它是一个异步任务,意味着只有当前脚本的所有代码执行完,系统才会去读取"任务队列"。所以,它与下面的写法等价。


    var req = new XMLHttpRequest();
    req.open('GET', url);
    req.send();
    req.onload = function (){};    
    req.onerror = function (){};   

  也就是说,指定回调函数的部分(onload和onerror),在send()方法的前面或后面无关紧要,因为它们属于执行栈的一部分,系统总是执行完它们,才会去读取"任务队列"。

 五、定时器

  除了放置异步任务,"任务队列"还有一个作用,就是可以放置定时事件,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);

  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);

  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,系统才会去执行"任务队列"中的回调函数。

  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requestAnimFrame()的效果要好于setTimeout()。

  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。

 六、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。

  请看下面的示意图(作者@BusyRich)。

JavaScript 运行机制详解:再谈Event Loop

  根据上图,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.js有一个process.nextTick()方法,可以将指定事件推迟到Event Loop的下一次执行,或者说放到"任务队列"的头部,也就是当前的执行栈清空之后立即执行。


function foo() {
    console.error(1);
}

process.nextTick(foo);
console.log(2);
// 2
// 1

  process.nextTick(foo)的作用,与setTimeout(foo, 0)很相似,但是执行效率高得多

  作者:阮一峰

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