Javascript的單線程和異步編程

運行時概念

下面的內容解釋了一個理論上的模型。現代 JavaScript 引擎着重實現和優化了描述的幾個語義。

可視化描述

棧

函數調用造成了一個棧幀。

function foo(b) {
  var a = 10;
  return a + b + 11;
}

function bar(x) {
  var y = 3;
  return foo(x * y);
}

console.log(bar(7));

 

當調用bar時，建立了第一個幀 ，幀中包含了bar的參數和局部變量。當bar調用foo時，第二個幀就被建立，並被壓到第一個幀之上，幀中包含了foo的參數和局部變量。當foo返回時，最上層的幀就被彈出棧（剩下bar函數的調用幀 ）。當bar返回的時候，棧就空了。

堆

對象被分配在一個堆中，即用以表示一個大部分非結構化的內存區域。

隊列

一個 JavaScript 運行時包含了一個待處理的消息隊列。每個消息都有一個爲了處理這個消息相關聯的函數。

在事件循環時，runtime （運行時）老是從最早進入隊列的一個消息開始處理隊列中的消息。正因如此，這個消息就會被移出隊列，並將其做爲輸入參數調用與之關聯的函數。爲了使用這個函數，調用一個函數老是會爲其創造一個新的棧幀（ stack frame），一如既往。

函數的處理會一直進行直到執行棧再次爲空；而後事件循環（event loop）將會處理隊列中的下一個消息（若是還有的話）。

事件循環

之因此稱爲事件循環，是由於它常常被用於相似以下的方式來實現：

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

若是當前沒有任何消息queue.waitForMessage 會等待同步消息到達。

Javascript的單線程和異步編程

爲何JavaScript是單線程？

JavaScript語言的一大特色就是單線程，也就是說，同一個時間只能作一件事。那麼，爲何JavaScript不能有多個線程呢？這樣能提升效率啊。

JavaScript的單線程，與它的用途有關。做爲瀏覽器腳本語言，JavaScript的主要用途是與用戶互動，以及操做DOM。這決定了它只能是單線程，不然會帶來很複雜的同步問題。好比，假定JavaScript同時有兩個線程，一個線程在某個DOM節點上添加內容，另外一個線程刪除了這個節點，這時瀏覽器應該以哪一個線程爲準？

因此，爲了不復雜性，從一誕生，JavaScript就是單線程，這已經成了這門語言的核心特徵，未來也不會改變。

爲了利用多核CPU的計算能力，HTML5提出Web Worker標準，容許JavaScript腳本建立多個線程，可是子線程徹底受主線程控制，且不得操做DOM。因此，這個新標準並無改變JavaScript單線程的本質。

單線程--異步

說到js的單線程（single threaded）和異步（asynchronous），不少同窗不由會想，這不是自相矛盾麼？其實，單線程和異步確實不能同時成爲一個語言的特性。js選擇了成爲單線程的語言，因此它自己不多是異步的，但js的宿主環境（好比瀏覽器，Node）是多線程的，宿主環境經過某種方式（事件驅動，下文會講）使得js具有了異步的屬性。往下看，你會發現js的機制是多麼的簡單高效！

瀏覽器--異步

js是單線程語言，瀏覽器只分配給js一個主線程，用來執行任務（函數），但一次只能執行一個任務，這些任務造成一個任務隊列排隊等候執行，但前端的某些任務是很是耗時的，好比網絡請求，定時器和事件監聽，若是讓他們和別的任務同樣，都老老實實的排隊等待執行的話，執行效率會很是的低，甚至致使頁面的假死。因此，瀏覽器爲這些耗時任務開闢了另外的線程，主要包括http請求線程，瀏覽器定時觸發器，瀏覽器事件觸發線程，這些任務是異步的。下圖說明了瀏覽器的主要線程。

圖片來自popAnt 畫得太好，忍不住引過來 （http://blog.csdn.net/kfanning/article/details/5768776）

任務隊列

剛纔說到瀏覽器爲網絡請求這樣的異步任務單獨開了一個線程，那麼問題來了，這些異步任務完成後，主線程怎麼知道呢？答案就是回調函數，整個程序是事件驅動的，每一個事件都會綁定相應的回調函數，舉個栗子，有段代碼設置了一個定時器

setTimeout(function(){
    console.log(time is out);
}，50）;

執行這段代碼的時候，瀏覽器異步執行計時操做，當50ms到了後，會觸發定時事件，這個時候，就會把回調函數放到任務隊列裏。整個程序就是經過這樣的一個個事件驅動起來的。
因此說，js是一直是單線程的，瀏覽器纔是實現異步的那個傢伙。

主線程

js一直在作一個工做，就是從任務隊列裏提取任務，放到主線程裏執行。下面咱們來進行更深一步的理解。

圖片來自Philip Roberts的演講《Help, I'm stuck in an event-loop》很是深入！
咱們把剛纔瞭解的概念和圖中作一個對應，上文中說到的瀏覽器爲異步任務單獨開闢的線程能夠統一理解爲WebAPIs，上文中說到的任務隊列就是callback queue，咱們所說的主線程就是有虛線組成的那一部分，堆（heap）和棧（stack）共同組成了js主線程，函數的執行就是經過進棧和出棧實現的，好比圖中有一個foo()函數，主線程把它推入棧中，在執行函數體時，發現還須要執行上面的那幾個函數，因此又把這幾個函數推入棧中，等到函數執行完，就讓函數出棧。等到stack清空時，說明一個任務已經執行完了，這時就會從callback queue中尋找下一我的任務推入棧中（這個尋找的過程，叫作event loop，由於它老是循環的查找任務隊列裏是否還有任務）。

幾個容易困惑的問題

1. setTimeout(f1,0)是什麼鬼
   這個語句最大的疑問是，f1是否是馬上執行？答案是不必定，由於要看主線程內的命令是否已經執行完了，以下代碼：

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

   這段代碼的輸出結果是2,1。由於執行setTimeou後，會當即把匿名函數放到callback queue裏面等待主線程的召喚，但這個時候stack裏面並非空的，由於還有一句console.log(2)。等到執行完console.log(2)後，才經過event loop把匿名函數放到stack裏面。因此setTimeout(f1,0)這個語句並非沒有意義，若是f1是很耗時的任務，那就應該把任務放到callback queue裏面，等到主程序執行完後再執行。
2. Ajax請求是否異步
   瞭解完上文內容，咱們就知道了，ajax請求內容的時候是異步的，當請求完成後，會觸發請求完成的事件，而後把回調函數放入callback queue，等到主線程執行該回調函數時仍是單線程的。

3. 界面渲染線程是單獨開闢的線程，是否是DOM一變化，界面就馬上從新渲染？
   若是DOM一變化，界面就馬上從新渲染，效率必然很低，因此瀏覽器的機制規定界面渲染線程和主線程是互斥的，主線程執行任務時，瀏覽器渲染線程處於掛起狀態。

如何利用瀏覽器的異步機制

咱們已經知道，js一直是單線程執行的，瀏覽器爲幾個明顯的耗時任務單獨開闢線程解決耗時問題，可是js除了這幾個明顯的耗時問題外，可能咱們本身寫的程序裏面也會有耗時的函數，這種狀況怎麼處理呢？咱們確定不能本身開闢單獨的線程，但咱們能夠利用瀏覽器給咱們開放的這幾個窗口，瀏覽器定時器線程和事件觸發線程是好利用的，網絡請求線程不適合咱們使用。下面咱們具體看一下：

假設耗時函數是f1，f1是f2的前置任務。

• 利用定時器觸發線程

  function f1(callback){
  setTimeout(function(){
      // f1 的代碼
      callback();
  },0);
  }
  f1(f2);

  這種寫法的耦合度高。

• 利用事件觸發線程

  $f1.on('custom',f2);  //這裏綁定事件以jQuery寫法爲例
  function f1(){
  setTimeout(function(){
      // f1的代碼
      $f1.trigger('custom');
  },0);
  }

  這種方法經過綁定自定義事件，對方法一解耦，這樣能夠經過綁定不一樣的事件，實現不一樣的回調函數，但若是應用這種方法過多，不利於閱讀程序。

• 發佈/訂閱

  上面"事件"，徹底能夠理解成"信號"。

  咱們假定，存在一個"信號中心"，某個任務執行完成，就向信號中心"發佈"（publish）一個信號，其餘任務能夠向信號中心"訂閱"（subscribe）這個信號，從而知道何時本身能夠開始執行。這就叫作"發佈/訂閱模式"（publish-subscribe pattern），又稱"觀察者模式"（observer pattern）。

  這個模式有多種實現，下面採用的是Ben Alman的Tiny Pub/Sub，這是jQuery的一個插件。

  首先，f2向"信號中心"jQuery訂閱"done"信號。

• jQuery.subscribe("done", f2);

  而後，f1進行以下改寫：

• function f1(){
  
  　　　　setTimeout(function () {
  
  　　　　　　// f1的任務代碼
  
  　　　　　　jQuery.publish("done");
  
  　　　　}, 1000);
  
  　　}

  jQuery.publish("done")的意思是，f1執行完成後，向"信號中心"jQuery發佈"done"信號，從而引起f2的執行。

  此外，f2完成執行後，也能夠取消訂閱（unsubscribe）。

• jQuery.unsubscribe("done", f2);

•  

  這種方法的性質與"事件監聽"相似，可是明顯優於後者。由於咱們能夠經過查看"消息中心"，瞭解存在多少信號、每一個信號有多少訂閱者，從而監控程序的運行。

• Nodejs非阻塞式IO/事件驅動IO

異步的好處和適合的場景

1. 異步的好處
   咱們直接經過一個例子對同步和異步進行對比，假設有四個任務（編號爲1,2,3,4），它們的執行時間都是10ms,其中任務2是任務3的前置任務，任務2須要20ms的響應時間。下面咱們作下對比，你就知道怎麼實現的非阻塞I/O了。
   
   圖片來自Soham Kaman的文章
2. 適合的場景
   能夠看出，當咱們的程序須要大量I/O操做和用戶請求時，js這個具有單線程，異步，事件驅動多種氣質的語言是多麼應景！相比於多線程語言，它沒必要耗費過多的系統開銷，同時也沒必要把精力用於處理多線程管理，相比於同步執行的語言，宿主環境的異步和事件驅動機制又讓它實現了非阻塞I/O，因此你應該知道它適合什麼樣的場景了吧！

參考：

https://www.cnblogs.com/woodyblog/p/6061671.html

http://www.ruanyifeng.com/blog/2014/10/event-loop.html