JavaScript 運行機制詳解：再談Event Loop

一年前，我寫了一篇《什麼是 Event Loop？》，談了我對Event Loop的理解。

　　上個月，我偶然看到了Philip Roberts的演講《Help, I'm stuck in an event-loop》。這才尷尬地發現，本身的理解是錯的。我決定重寫這個題目，詳細、完整、正確地描述JavaScript引擎的內部運行機制。下面就是個人重寫。

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　1、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。

　2、任務隊列

　　單線程就意味着，全部任務須要排隊，前一個任務結束，纔會執行後一個任務。若是前一個任務耗時很長，後一個任務就不得不一直等着。

　　若是排隊是由於計算量大，CPU忙不過來，倒也算了，可是不少時候CPU是閒着的，由於IO設備（輸入輸出設備）很慢（好比Ajax操做從網絡讀取數據），不得不等着結果出來，再往下執行。

　　JavaScript語言的設計者意識到，這時CPU徹底能夠無論IO設備，掛起處於等待中的任務，先運行排在後面的任務。等到IO設備返回告終果，再回過頭，把掛起的任務繼續執行下去。

　　因而，JavaScript就有了兩種執行方式：一種是CPU按順序執行，前一個任務結束，再執行下一個任務，這叫作同步執行；另外一種是CPU跳過等待時間長的任務，先處理後面的任務，這叫作異步執行。程序員自主選擇，採用哪一種執行方式。

　　具體來講，異步執行的運行機制以下。（同步執行也是如此，由於它能夠被視爲沒有異步任務的異步執行。）

（1）全部任務都在主線程上執行，造成一個執行棧（execution context stack）。

（2）主線程以外，還存在一個"任務隊列"（task queue）。系統把異步任務放到"任務隊列"之中，而後繼續執行後續的任務。

（3）一旦"執行棧"中的全部任務執行完畢，系統就會讀取"任務隊列"。若是這個時候，異步任務已經結束了等待狀態，就會從"任務隊列"進入執行棧，恢復執行。

（4）主線程不斷重複上面的第三步。

　　下圖就是主線程和任務隊列的示意圖。

　　只要主線程空了，就會去讀取"任務隊列"，這就是JavaScript的運行機制。這個過程會不斷重複。

　3、事件和回調函數

　　"任務隊列"實質上是一個事件的隊列（也能夠理解成消息的隊列），IO設備完成一項任務，就在"任務隊列"中添加一個事件，表示相關的異步任務能夠進入"執行棧"了。主線程讀取"任務隊列"，就是讀取裏面有哪些事件。

　　"任務隊列"中的事件，除了IO設備的事件之外，還包括一些用戶產生的事件（好比鼠標點擊、頁面滾動等等）。只要指定過回調函數，這些事件發生時就會進入"任務隊列"，等待主線程讀取。

　　所謂"回調函數"（callback），就是那些會被主線程掛起來的代碼。異步任務必須指定回調函數，當異步任務從"任務隊列"回到執行棧，回調函數就會執行。

　　"任務隊列"是一個先進先出的數據結構，排在前面的事件，優先返回主線程。主線程的讀取過程基本上是自動的，只要執行棧一清空，"任務隊列"上第一位的事件就自動返回主線程。可是，因爲存在後文提到的"定時器"功能，主線程要檢查一下執行時間，某些事件必需要在規定的時間返回主線程。

　4、Event Loop

　　主線程從"任務隊列"中讀取事件，這個過程是循環不斷的，因此整個的這種運行機制又稱爲Event Loop（事件循環）。

　　爲了更好地理解Event Loop，請看下圖（轉引自Philip Roberts的演講《Help, I'm stuck in an event-loop》）。

　　上圖中，主線程運行的時候，產生堆（heap）和棧（stack），棧中的代碼調用各類外部API，它們在"任務隊列"中加入各類事件（click，load，done）。只要棧中的代碼執行完畢，主線程就會去讀取"任務隊列"，依次執行那些事件所對應的回調函數。

　　執行棧中的代碼，老是在讀取"任務隊列"以前執行。請看下面這個例子。

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

　　上面代碼中的req.send方法是Ajax操做向服務器發送數據，它是一個異步任務，意味着只有當前腳本的全部代碼執行完，系統纔會去讀取"任務隊列"。因此，它與下面的寫法等價。

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

　　也就是說，指定回調函數的部分（onload和onerror），在send()方法的前面或後面可有可無，由於它們屬於執行棧的一部分，系統老是執行完它們，纔會去讀取"任務隊列"。

　5、定時器

　　除了放置異步任務，"任務隊列"還有一個做用，就是能夠放置定時事件，即指定某些代碼在多少時間以後執行。這叫作"定時器"（timer）功能，也就是定時執行的代碼。

　　定時器功能主要由setTimeout()和setInterval()這兩個函數來完成，它們的內部運行機制徹底同樣，區別在於前者指定的代碼是一次性執行，後者則爲反覆執行。如下主要討論setTimeout()。

　　setTimeout()接受兩個參數，第一個是回調函數，第二個是推遲執行的毫秒數。

console.log(1);
setTimeout(function(){console.log(2);},1000);
console.log(3);

　　上面代碼的執行結果是1，3，2，由於setTimeout()將第二行推遲到1000毫秒以後執行。

　　若是將setTimeout()的第二個參數設爲0，就表示當前代碼執行完（執行棧清空）之後，當即執行（0毫秒間隔）指定的回調函數。

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

　　上面代碼的執行結果老是2，1，由於只有在執行完第二行之後，系統纔會去執行"任務隊列"中的回調函數。

　　HTML5標準規定了setTimeout()的第二個參數的最小值（最短間隔），不得低於4毫秒，若是低於這個值，就會自動增長。在此以前，老版本的瀏覽器都將最短間隔設爲10毫秒。

　　另外，對於那些DOM的變更（尤爲是涉及頁面從新渲染的部分），一般不會當即執行，而是每16毫秒執行一次。這時使用requestAnimFrame()的效果要好於setTimeout()。

　　須要注意的是，setTimeout()只是將事件插入了"任務隊列"，必須等到當前代碼（執行棧）執行完，主線程纔會去執行它指定的回調函數。要是當前代碼耗時很長，有可能要等好久，因此並無辦法保證，回調函數必定會在setTimeout()指定的時間執行。

　6、Node.js的Event Loop

　　Node.js也是單線程的Event Loop，可是它的運行機制不一樣於瀏覽器環境。

　　請看下面的示意圖（做者@BusyRich）。

　　根據上圖，Node.js的運行機制以下。

（1）V8引擎解析JavaScript腳本。

（2）解析後的代碼，調用Node API。

（3）libuv庫負責Node API的執行。它將不一樣的任務分配給不一樣的線程，造成一個Event Loop（事件循環），以異步的方式將任務的執行結果返回給V8引擎。

（4）V8引擎再將結果返回給用戶。

　　Node.js有一個process.nextTick()方法，能夠將指定事件推遲到Event Loop的下一次執行，或者說放到"任務隊列"的頭部，也就是當前的執行棧清空以後當即執行。

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

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

　　process.nextTick(foo)的做用，與setTimeout(foo, 0)很類似，可是執行效率高得多。

　　做者:阮一峯