詳細解析JavaScript中的異步機制

學習JavaScript的時候瞭解到JavaScript是單線程的，剛開始很疑惑，單線程怎麼處理網絡請求、文件讀寫等耗時操做呢？效率豈不是會很低？隨着對這方面內容的瞭解和深刻，知道了其中的奧祕。本篇文章就主要講解一下JavaScript怎麼處理異步問題。

1、同步與異步

在介紹JavaScript的異步機制以前，首先介紹一下：什麼是同步？什麼是異步？

同步

若是在函數返回的時候，調用者就可以獲得預期結果(即拿到了預期的返回值或者看到了預期的效果)，那麼這個函數就是同步的。 以下所示：

//在函數返回時，得到了預期值，即2的平方根
Math.sqrt(2);
//在函數返回時，得到了預期的效果，即在控制檯上打印了'hello'
console.log('hello');
複製代碼

上面兩個函數就是同步的。

若是函數是同步的，即便調用函數執行的任務比較耗時，也會一直等待直到獲得預期結果。

異步

若是在函數返回的時候，調用者還不可以獲得預期結果，而是須要在未來經過必定的手段獲得，那麼這個函數就是異步的。 以下所示：

//讀取文件
fs.readFile('hello.txt', 'utf8', function(err, data) {
    console.log(data);
});
//網絡請求
var xhr = new XMLHttpRequest();
xhr.onreadystatechange = xxx; // 添加回調函數
xhr.open('GET', url);
xhr.send(); // 發起函數
複製代碼

上述示例中讀取文件函數 readFile和網絡請求的發起函數 send都將執行耗時操做，雖然函數會當即返回，可是不能馬上獲取預期的結果，由於耗時操做交給其餘線程執行，暫時獲取不到預期結果（後面介紹）。而在JavaScript中經過回調函數 function(err, data) { console.log(data); }和 onreadystatechange ，在耗時操做執行完成後把相應的結果信息傳遞給回調函數，通知執行JavaScript代碼的線程執行回調。

若是函數是異步的，發出調用以後，立刻返回，可是不會立刻返回預期結果。調用者沒必要主動等待，當被調用者獲得結果以後會經過回調函數主動通知調用者。

2、單線程與多線程

在上面介紹異步的過程當中就可能會納悶：既然JavaScript是單線程，怎麼還存在異步，那些耗時操做到底交給誰去執行了？

JavaScript其實就是一門語言，說是單線程仍是多線程得結合具體運行環境。JS的運行一般是在瀏覽器中進行的，具體由JS引擎去解析和運行。下面咱們來具體瞭解一下瀏覽器。

瀏覽器

目前最爲流行的瀏覽器爲：Chrome，IE，Safari，FireFox，Opera。瀏覽器的內核是多線程的。

一個瀏覽器一般由如下幾個常駐的線程：

• 渲染引擎線程：顧名思義，該線程負責頁面的渲染
• JS引擎線程：負責JS的解析和執行
• 定時觸發器線程：處理定時事件，好比setTimeout, setInterval
• 事件觸發線程：處理DOM事件
• 異步http請求線程：處理http請求

須要注意的是，渲染線程和JS引擎線程是不能同時進行的。渲染線程在執行任務的時候，JS引擎線程會被掛起。由於JS能夠操做DOM，若在渲染中JS處理了DOM，瀏覽器可能就不知所措了。

JS引擎

一般講到瀏覽器的時候，咱們會說到兩個引擎：渲染引擎和JS引擎。渲染引擎就是如何渲染頁面，Chrome／Safari／Opera用的是Webkit引擎，IE用的是Trident引擎，FireFox用的是Gecko引擎。不一樣的引擎對同一個樣式的實現不一致，就致使了常常被人詬病的瀏覽器樣式兼容性問題。這裏咱們不作具體討論。

JS引擎能夠說是JS虛擬機，負責JS代碼的解析和執行。一般包括如下幾個步驟：

• 詞法分析：將源代碼分解爲有意義的分詞
• 語法分析：用語法分析器將分詞解析成語法樹
• 代碼生成：生成機器能運行的代碼
• 代碼執行

不一樣瀏覽器的JS引擎也各不相同，Chrome用的是V8，FireFox用的是SpiderMonkey，Safari用的是JavaScriptCore，IE用的是Chakra。

之因此說JavaScript是單線程，就是由於瀏覽器在運行時只開啓了一個JS引擎線程來解析和執行JS。那爲何只有一個引擎呢？若是同時有兩個線程去操做DOM，瀏覽器是否是又要不知所措了。

因此，雖然JavaScript是單線程的，但是瀏覽器內部不是單線程的。一些I/O操做、定時器的計時和事件監聽（click, keydown...）等都是由瀏覽器提供的其餘線程來完成的。

3、消息隊列與事件循環

經過以上了解，能夠知道其實JavaScript也是經過JS引擎線程與瀏覽器中其餘線程交互協做實現異步。可是回調函數具體什麼時候加入到JS引擎線程中執行？執行順序是怎麼樣的？

這一切的解釋就須要繼續瞭解消息隊列和事件循環。

如上圖所示，左邊的棧存儲的是同步任務，就是那些能當即執行、不耗時的任務，如變量和函數的初始化、事件的綁定等等那些不須要回調函數的操做均可歸爲這一類。

右邊的堆用來存儲聲明的變量、對象。下面的隊列就是消息隊列，一旦某個異步任務有了響應就會被推入隊列中。如用戶的點擊事件、瀏覽器收到服務的響應和setTimeout中待執行的事件，每一個異步任務都和回調函數相關聯。

JS引擎線程用來執行棧中的同步任務，當全部同步任務執行完畢後，棧被清空，而後讀取消息隊列中的一個待處理任務，並把相關回調函數壓入棧中，單線程開始執行新的同步任務。

JS引擎線程從消息隊列中讀取任務是不斷循環的，每次棧被清空後，都會在消息隊列中讀取新的任務，若是沒有新的任務，就會等待，直到有新的任務，這就叫事件循環。

上圖以AJAX異步請求爲例，發起異步任務後，由AJAX線程執行耗時的異步操做，而JS引擎線程繼續執行堆中的其餘同步任務，直到堆中的全部異步任務執行完畢。而後，從消息隊列中依次按照順序取出消息做爲一個同步任務在JS引擎線程中執行，那麼AJAX的回調函數就會在某一時刻被調用執行。

4、示例

引用一篇文章中提到的考察JavaScript異步機制的面試題來具體介紹。

執行下面這段代碼，執行後，在 5s 內點擊兩下，過一段時間（>5s）後，再點擊兩下，整個過程的輸出結果是什麼？

setTimeout(function(){
    for(var i = 0; i < 100000000; i++){}
    console.log('timer a');
}, 0)

for(var j = 0; j < 5; j++){
    console.log(j);
}

setTimeout(function(){
    console.log('timer b');
}, 0)

function waitFiveSeconds(){
    var now = (new Date()).getTime();
    while(((new Date()).getTime() - now) < 5000){}
    console.log('finished waiting');
}

document.addEventListener('click', function(){
    console.log('click');
})

console.log('click begin');
waitFiveSeconds();
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要想了解上述代碼的輸出結果，首先介紹下定時器。

setTimeout的做用是在間隔必定的時間後，將回調函數插入消息隊列中，等棧中的同步任務都執行完畢後，再執行。由於棧中的同步任務也會耗時，因此間隔的時間通常會大於等於指定的時間。

setTimeout(fn, 0)的意思是，將回調函數fn馬上插入消息隊列，等待執行，而不是當即執行。看一個例子：

setTimeout(function() {
    console.log("a")
}, 0)

for(let i=0; i<10000; i++) {}
console.log("b")
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b  a
複製代碼

打印結果代表回調函數並無馬上執行，而是等待棧中的任務執行完畢後才執行的。棧中的任務執行多久，它就得等多久。

理解了定時器的做用，那麼對於輸出結果就容易得出了。

首先，先執行同步任務。其中waitFiveSeconds是耗時操做，持續執行長達5s。

0
1
2
3
4
click begin
finished waiting
複製代碼

而後，在JS引擎線程執行的時候，'timer a'對應的定時器產生的回調、 'timer b'對應的定時器產生的回調和兩次 click 對應的回調被前後放入消息隊列。因爲JS引擎線程空閒後，會先查看是否有事件可執行，接着再處理其餘異步任務。所以會產生 下面的輸出順序。

click
click
timer a
timer b
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最後，5s 後的兩次 click 事件被放入消息隊列，因爲此時JS引擎線程空閒，便被當即執行了。

click
click
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