JavaScript之多線程和Event Loop

時間 2019-11-05

標籤 javascript 之多線程 event loop 欄目 JavaScript 简体版

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引子

幾乎在每一本JS相關的書籍中，都會說JS是單線程的，JS是經過事件隊列(Event Loop)的方式來實現異步回調的。對不少初學JS的人來講，根本搞不清楚單線程的JS爲何擁有異步的能力，因此，我試圖從進程、線程的角度來解釋這個問題。javascript

CPU

說到CPU和進程、線程，對計算機操做系統有過學習和了解的同窗應該比較熟悉。前端

計算機的核心是CPU，它承擔了全部的計算任務。java

它就像一座工廠，時刻在運行。ajax

假定工廠的電力有限，一次只能供給一個車間使用。也就是說，一個車間開工的時候，其餘車間都必須停工。背後的含義就是，單個CPU一次只能運行一個任務。算法

進程就比如工廠的車間，它表明CPU所能處理的單個任務。 進程之間相互獨立，任一時刻，CPU老是運行一個進程，其餘進程處於非運行狀態。 CPU使用時間片輪轉進度算法來實現同時運行多個進程。編程

CPU、進程、線程之間的關係

從上文咱們已經簡單瞭解了CPU、進程、線程，簡單彙總一下。segmentfault

進程是cpu資源分配的最小單位（是能擁有資源和獨立運行的最小單位）
線程是cpu調度的最小單位（線程是創建在進程的基礎上的一次程序運行單位，一個進程中能夠有多個線程）
不一樣進程之間也能夠通訊，不過代價較大
單線程與多線程，都是指在一個進程內的單和多

瀏覽器是多進程的

咱們已經知道了CPU、進程、線程之間的關係，對於計算機來講，每個應用程序都是一個進程，而每個應用程序都會分別有不少的功能模塊，這些功能模塊其實是經過子進程來實現的。對於這種子進程的擴展方式，咱們能夠稱這個應用程序是多進程的。windows

而對於瀏覽器來講，瀏覽器就是多進程的，我在Chrome瀏覽器中打開了多個tab，而後打開windows控制管理器：promise

如上圖，咱們能夠看到一個Chrome瀏覽器啓動了好多個進程。
總結一下：瀏覽器

瀏覽器是多進程的
每個Tab頁，就是一個獨立的進程

瀏覽器包含了哪些進程

主進程
- 協調控制其餘子進程（建立、銷燬）
- 瀏覽器界面顯示，用戶交互，前進、後退、收藏
- 將渲染進程獲得的內存中的Bitmap，繪製到用戶界面上
- 處理不可見操做，網絡請求，文件訪問等
第三方插件進程
- 每種類型的插件對應一個進程，僅當使用該插件時才建立
GPU進程
- 用於3D繪製等
渲染進程，就是咱們說的瀏覽器內核
- 負責頁面渲染，腳本執行，事件處理等
- 每一個tab頁一個渲染進程

那麼瀏覽器中包含了這麼多的進程，那麼對於普通的前端操做來講，最重要的是什麼呢？

答案是渲染進程，也就是咱們常說的瀏覽器內核

瀏覽器內核（渲染進程）

從前文咱們得知，進程和線程是一對多的關係，也就是說一個進程包含了多條線程。

而對於渲染進程來講，它固然也是多線程的了，接下來咱們來看一下渲染進程包含哪些線程。

GUI渲染線程
- 負責渲染頁面，佈局和繪製
- 頁面須要重繪和迴流時，該線程就會執行
- 與js引擎線程互斥，防止渲染結果不可預期
JS引擎線程
- 負責處理解析和執行javascript腳本程序
- 只有一個JS引擎線程（單線程）
- 與GUI渲染線程互斥，防止渲染結果不可預期
事件觸發線程
- 用來控制事件循環（鼠標點擊、setTimeout、ajax等）
- 當事件知足觸發條件時，將事件放入到JS引擎所在的執行隊列中
定時觸發器線程
- setInterval與setTimeout所在的線程
- 定時任務並非由JS引擎計時的，是由定時觸發線程來計時的
- 計時完畢後，通知事件觸發線程
異步http請求線程
- 瀏覽器有一個單獨的線程用於處理AJAX請求
- 當請求完成時，如有回調函數，通知事件觸發線程

當咱們瞭解了渲染進程包含的這些線程後，咱們思考兩個問題：

爲何 javascript 是單線程的
爲何 GUI 渲染線程爲何與 JS 引擎線程互斥

爲何 javascript 是單線程的

首先是歷史緣由，在建立 javascript 這門語言時，多進程多線程的架構並不流行，硬件支持並很差。

其次是由於多線程的複雜性，多線程操做須要加鎖，編碼的複雜性會增高。

並且，若是同時操做 DOM ，在多線程不加鎖的狀況下，最終會致使 DOM 渲染的結果不可預期。

爲何 GUI 渲染線程與 JS 引擎線程互斥

這是因爲 JS 是能夠操做 DOM 的，若是同時修改元素屬性並同時渲染界面(即 JS線程和UI線程同時運行)，那麼渲染線程先後得到的元素就可能不一致了。

所以，爲了防止渲染出現不可預期的結果，瀏覽器設定 GUI渲染線程和JS引擎線程爲互斥關係，當JS引擎線程執行時GUI渲染線程會被掛起，GUI更新則會被保存在一個隊列中等待JS引擎線程空閒時當即被執行。

從 Event Loop 看 JS 的運行機制

到了這裏，終於要進入咱們的主題，什麼是 Event Loop

先理解一些概念：

JS 分爲同步任務和異步任務
同步任務都在JS引擎線程上執行，造成一個執行棧
事件觸發線程管理一個任務隊列，異步任務觸發條件達成，將回調事件放到任務隊列中
執行棧中全部同步任務執行完畢，此時JS引擎線程空閒，系統會讀取任務隊列，將可運行的異步任務回調事件添加到執行棧中，開始執行

在前端開發中咱們會經過setTimeout/setInterval來指定定時任務，會經過XHR/fetch發送網絡請求，接下來簡述一下setTimeout/setInterval和XHR/fetch到底作了什麼事

咱們知道，不論是setTimeout/setInterval和XHR/fetch代碼，在這些代碼執行時，自己是同步任務，而其中的回調函數纔是異步任務。

當代碼執行到setTimeout/setInterval時，其實是JS引擎線程通知定時觸發器線程，間隔一個時間後，會觸發一個回調事件，而定時觸發器線程在接收到這個消息後，會在等待的時間後，將回調事件放入到由事件觸發線程所管理的事件隊列中。

當代碼執行到XHR/fetch時，其實是JS引擎線程通知異步http請求線程，發送一個網絡請求，並制定請求完成後的回調事件，而異步http請求線程在接收到這個消息後，會在請求成功後，將回調事件放入到由事件觸發線程所管理的事件隊列中。

當咱們的同步任務執行完，JS引擎線程會詢問事件觸發線程，在事件隊列中是否有待執行的回調函數，若是有就會加入到執行棧中交給JS引擎線程執行

用一張圖來解釋：

再用代碼來解釋一下：

let timerCallback = function() {
  console.log('wait one second');
};
let httpCallback = function() {
  console.log('get server data success');
}

// 同步任務
console.log('hello');
// 同步任務
// 通知定時器線程 1s 後將 timerCallback 交由事件觸發線程處理
// 1s 後事件觸發線程將 timerCallback 加入到事件隊列中
setTimeout(timerCallback,1000);
// 同步任務
// 通知異步http請求線程發送網絡請求，請求成功後將 httpCallback 交由事件觸發線程處理
// 請求成功後事件觸發線程將 httpCallback 加入到事件隊列中
$.get('www.xxxx.com',httpCallback);
// 同步任務
console.log('world');
//...
// 全部同步任務執行完後
// 詢問事件觸發線程在事件事件隊列中是否有須要執行的回調函數
// 若是沒有，一直詢問，直到有爲止
// 若是有，將回調事件加入執行棧中，開始執行回調代碼

總結一下：

JS引擎線程只執行執行棧中的事件
執行棧中的代碼執行完畢，就會讀取事件隊列中的事件
事件隊列中的回調事件，是由各自線程插入到事件隊列中的
如此循環

宏任務、微任務

當咱們基本瞭解了什麼是執行棧，什麼是事件隊列以後，咱們深刻了解一下事件循環中宏任務、微任務

什麼是宏任務

咱們能夠將每次執行棧執行的代碼當作是一個宏任務（包括每次從事件隊列中獲取一個事件回調並放到執行棧中執行），每個宏任務會從頭至尾執行完畢，不會執行其餘。

咱們前文提到過JS引擎線程和GUI渲染線程是互斥的關係，瀏覽器爲了可以使宏任務和DOM任務有序的進行，會在一個宏任務執行結果後，在下一個宏任務執行前，GUI渲染線程開始工做，對頁面進行渲染。

// 宏任務-->渲染-->宏任務-->渲染-->渲染...

主代碼塊，setTimeout，setInterval等，都屬於宏任務

第一個例子：

document.body.style = 'background:black';
document.body.style = 'background:red';
document.body.style = 'background:blue';
document.body.style = 'background:grey';

咱們能夠將這段代碼放到瀏覽器的控制檯執行如下，看一下效果：

咱們會看到的結果是，頁面背景會在瞬間變成灰色，以上代碼屬於同一次宏任務，因此所有執行完才觸發頁面渲染，渲染時GUI線程會將全部UI改動優化合並，因此視覺效果上，只會看到頁面變成灰色。

第二個例子：

document.body.style = 'background:blue';
setTimeout(function(){
    document.body.style = 'background:black'
},0)

執行一下，再看效果：

我會看到，頁面先顯示成藍色背景，而後瞬間變成了黑色背景，這是由於以上代碼屬於兩次宏任務，第一次宏任務執行的代碼是將背景變成藍色，而後觸發渲染，將頁面變成藍色，再觸發第二次宏任務將背景變成黑色。

什麼是微任務

咱們已經知道宏任務結束後，會執行渲染，而後執行下一個宏任務，而微任務能夠理解成在當前宏任務執行後當即執行的任務。

也就是說，當宏任務執行完，會在渲染前，將執行期間所產生的全部微任務都執行完。

Promise，process.nextTick等，屬於微任務。

第一個例子：

document.body.style = 'background:blue'
console.log(1);
Promise.resolve().then(()=>{
    console.log(2);
    document.body.style = 'background:black'
});
console.log(3);

執行一下，再看效果：

控制檯輸出 1 3 2 , 是由於 promise 對象的 then 方法的回調函數是異步執行，因此 2 最後輸出

頁面的背景色直接變成黑色，沒有通過藍色的階段，是由於，咱們在宏任務中將背景設置爲藍色，但在進行渲染前執行了微任務，在微任務中將背景變成了黑色，而後才執行的渲染。

第二個例子：

setTimeout(() => {
    console.log(1)
    Promise.resolve(3).then(data => console.log(data))
}, 0)

setTimeout(() => {
    console.log(2)
}, 0)

// print : 1 3 2

上面代碼共包含兩個 setTimeout ，也就是說除主代碼塊外，共有兩個宏任務，其中第一個宏任務執行中，輸出 1 ，而且建立了微任務隊列，因此在下一個宏任務隊列執行前，先執行微任務，在微任務執行中，輸出 3 ，微任務執行後，執行下一次宏任務，執行中輸出 2