一. 單線程
咱們常說「JavaScript是單線程的」。javascript
所謂單線程，是指在JS引擎中負責解釋和執行JavaScript代碼的線程只有一個。不妨叫它主線程。java
可是實際上還存在其餘的線程。例如：處理AJAX請求的線程、處理DOM事件的線程、定時器線程、讀寫文件的線程(例如在Node.js中)等等。這些線程可能存在於JS引擎以內，也可能存在於JS引擎以外，在此咱們不作區分。不妨叫它們工做線程。ajax
二. 同步和異步
假設存在一個函數A：編程
A(args...);
同步：若是在函數A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。segmentfault
例如：異步
Math.sqrt(2); console.log('Hi');
-
第一個函數返回時，就拿到了預期的返回值：2的平方根。函數
-
第二個函數返回時，就看到了預期的效果：在控制檯打印了一個字符串。oop
因此這兩個函數都是同步的。post
異步：若是在函數A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。ui
例如：
fs.readFile('foo.txt', 'utf8', function(err, data) { console.log(data); });
在上面的代碼中，咱們但願經過fs.readFile函數讀取文件foo.txt中的內容，並打印出來。
可是在fs.readFile函數返回時，咱們指望的結果並不會發生，而是要等到文件所有讀取完成以後。若是文件很大的話可能要很長時間。
下面以AJAX請求爲例，來看一下同步和異步的區別：
-
異步AJAX：
主線程：「你好，AJAX線程。請你幫我發個HTTP請求吧，我把請求地址和參數都給你了。」
AJAX線程：「好的，主線程。我立刻去發，但可能要花點兒時間呢，你能夠先去忙別的。」
主線程：：「謝謝，你拿到響應後告訴我一聲啊。」
(接着，主線程作其餘事情去了。一頓飯的時間後，它收到了響應到達的通知。)
-
同步AJAX：
主線程：「你好，AJAX線程。請你幫我發個HTTP請求吧，我把請求地址和參數都給你了。」
AJAX線程：「......」
主線程：：「喂，AJAX線程，你怎麼不說話？」
AJAX線程：「......」
主線程：：「喂！喂喂喂！」
AJAX線程：「......」
(一炷香的時間後)
主線程：：「喂！求你說句話吧！」
AJAX線程：「主線程，很差意思，我在工做的時候不能說話。你的請求已經發完了，拿到響應數據了，給你。」
正是因爲JavaScript是單線程的，而異步容易實現非阻塞，因此在JavaScript中對於耗時的操做或者時間不肯定的操做，使用異步就成了必然的選擇。異步是這篇文章關注的重點。
三. 異步過程的構成要素
從上文能夠看出，異步函數實際上很快就調用完成了。可是後面還有工做線程執行異步任務、通知主線程、主線程調用回調函數等不少步驟。咱們把整個過程叫作異步過程。異步函數的調用在整個異步過程當中，只是一小部分。
總結一下，一個異步過程一般是這樣的：
主線程發起一個異步請求，相應的工做線程接收請求並告知主線程已收到(異步函數返回)；主線程能夠繼續執行後面的代碼，同時工做線程執行異步任務；工做線程完成工做後，通知主線程；主線程收到通知後，執行必定的動做(調用回調函數)。
異步函數一般具備如下的形式：
A(args..., callbackFn)
它能夠叫作異步過程的發起函數，或者叫作異步任務註冊函數。args是這個函數須要的參數。callbackFn也是這個函數的參數，可是它比較特殊因此單獨列出來。
因此，從主線程的角度看，一個異步過程包括下面兩個要素：
-
發起函數(或叫註冊函數)
A -
回調函數
callbackFn
它們都是在主線程上調用的，其中註冊函數用來發起異步過程，回調函數用來處理結果。
舉個具體的例子：
setTimeout(fn, 1000);
其中的setTimeout就是異步過程的發起函數，fn是回調函數。
注意：前面說的形式A(args..., callbackFn)只是一種抽象的表示，並不表明回調函數必定要做爲發起函數的參數，例如：
var xhr = new XMLHttpRequest(); xhr.onreadystatechange = xxx; // 添加回調函數 xhr.open('GET', url); xhr.send(); // 發起函數
發起函數和回調函數就是分離的。
四. 消息隊列和事件循環
上文講到，異步過程當中，工做線程在異步操做完成後須要通知主線程。那麼這個通知機制是怎樣實現的呢？答案是利用消息隊列和事件循環。
用一句話歸納：
工做線程將消息放到消息隊列，主線程經過事件循環過程去取消息。
-
消息隊列：消息隊列是一個先進先出的隊列，它裏面存放着各類消息。
-
事件循環：事件循環是指主線程重複從消息隊列中取消息、執行的過程。
實際上，主線程只會作一件事情，就是從消息隊列裏面取消息、執行消息，再取消息、再執行。當消息隊列爲空時，就會等待直到消息隊列變成非空。並且主線程只有在將當前的消息執行完成後，纔會去取下一個消息。這種機制就叫作事件循環機制，取一個消息並執行的過程叫作一次循環。
事件循環用代碼表示大概是這樣的：
while(true) { var message = queue.get(); execute(message); }
那麼，消息隊列中放的消息具體是什麼東西？消息的具體結構固然跟具體的實現有關，可是爲了簡單起見，咱們能夠認爲：
消息就是註冊異步任務時添加的回調函數。
再次以異步AJAX爲例，假設存在以下的代碼：
$.ajax('http://segmentfault.com', function(resp) { console.log('我是響應：', resp); }); // 其餘代碼 ... ... ...
主線程在發起AJAX請求後，會繼續執行其餘代碼。AJAX線程負責請求segmentfault.com，拿到響應後，它會把響應封裝成一個JavaScript對象，而後構造一條消息：
// 消息隊列中的消息就長這個樣子 var message = function () { callbackFn(response); }
其中的callbackFn就是前面代碼中獲得成功響應時的回調函數。
主線程在執行完當前循環中的全部代碼後，就會到消息隊列取出這條消息(也就是message函數)，並執行它。到此爲止，就完成了工做線程對主線程的通知，回調函數也就獲得了執行。若是一開始主線程就沒有提供回調函數，AJAX線程在收到HTTP響應後，也就不必通知主線程，從而也不必往消息隊列放消息。
用圖表示這個過程就是：
從上文中咱們也能夠獲得這樣一個明顯的結論，就是：
異步過程的回調函數，必定不在當前這一輪事件循環中執行。
五. 異步與事件
上文中說的「事件循環」，爲何裏面有個事件呢？那是由於：
消息隊列中的每條消息實際上都對應着一個事件。
上文中一直沒有提到一類很重要的異步過程：DOM事件。
舉例來講：
var button = document.getElement('#btn'); button.addEventListener('click', function(e) { console.log(); });
從事件的角度來看，上述代碼表示：在按鈕上添加了一個鼠標單擊事件的事件監聽器；當用戶點擊按鈕時，鼠標單擊事件觸發，事件監聽器函數被調用。
從異步過程的角度看，addEventListener函數就是異步過程的發起函數，事件監聽器函數就是異步過程的回調函數。事件觸發時，表示異步任務完成，會將事件監聽器函數封裝成一條消息放到消息隊列中，等待主線程執行。
事件的概念實際上並非必須的，事件機制實際上就是異步過程的通知機制。我以爲它的存在是爲了編程接口對開發者更友好。
另外一方面，全部的異步過程也均可以用事件來描述。例如：setTimeout能夠當作對應一個時間到了！的事件。前文的setTimeout(fn, 1000);能夠當作：
timer.addEventListener('timeout', 1000, fn);
六. 生產者與消費者
從生產者與消費者的角度看，異步過程是這樣的：
工做線程是生產者，主線程是消費者(只有一個消費者)。工做線程執行異步任務，執行完成後把對應的回調函數封裝成一條消息放到消息隊列中；主線程不斷地從消息隊列中取消息並執行，當消息隊列空時主線程阻塞，直到消息隊列再次非空。
七. 總結一下
最後再用一個生活中的例子總結一下同步和異步：在公路上，汽車一輛接一輛，有條不紊的運行。這時，有一輛車壞掉了。假如它停在原地進行修理，那麼後面的車就會被堵住無法行駛，交通就亂套了。幸虧旁邊有應急車道，能夠把故障車輛推到應急車道修理，而正常的車流不會受到任何影響。等車修好了，再從應急車道回到正常車道便可。惟一的影響就是，應急車道用多了，原來的車輛之間的順序會有點亂。
這就是同步和異步的區別。同步能夠保證順序一致，可是容易致使阻塞；異步能夠解決阻塞問題，可是會改變順序性。改變順序性其實也沒有什麼大不了的，只不過讓程序變得稍微難理解了一些 :)
PS：ECMAScript 262規範中，並無對異步、事件隊列等概念及其實現的描述。這些都是具體的JavaScript運行時環境使用的機制。本文重點是描述異步過程的原理，爲了便於理解作了不少簡化。因此文中的某些術語的使用多是不許確的，具體細節也未必是正確的，例如消息隊列中消息的結構。請讀者注意。