從Javascript單線程談Event Loop

假如面試回答js的運行機制時，你可能說出這麼一段話：「Javascript的事件分同步任務和異步任務，遇到同步任務就放在執行棧中執行，而碰到異步任務就放到任務隊列之中，等到執行棧執行完畢以後再去執行任務隊列之中的事件。」但你能說出背後的緣由嗎？

 

先理解相關概念

線程與進程

進程：是系統資源分配和調度的單元。一個運行着的程序就對應了一個進程。一個進程包括了運行中的程序和程序所使用到的內存和系統資源。

線程：線程是進程下的執行者，一個進程至少會開啓一個線程（主線程），也能夠開啓多個線程。

 

同步和異步

同步和異步關注的是：消息（結果）通訊機制

同步：發出調用後，在沒有獲得結果前，該調用不返回。可是一旦調用返回，就獲得返回值

異步：發出調用後，調用直接返回，沒有返回結果。但結果由回調函數給出，至於何時給出，不知道。（這個回調函數確定是在當前js執行完後才執行）

 

阻塞與非阻塞

阻塞和非阻塞關注的是：程序在等待調用結果時的狀態.

阻塞調用：調用結果返回以前，當前線程被掛起。調用線程只有在獲得結果後纔會返回。
非阻塞調用：在不能馬上獲得結果以前，該調用不會阻塞當前線程。

 

爲何JavaScript是單線程？

JavaScript是單線程，程序按照順序排列，前面的必須處理好，後面的纔會執行。JavaScript的設計初衷是做爲瀏覽器腳本語言，主要是簡單用戶交互、操做DOM等，因此這門語言要圍繞單線程來設計，不然出現複雜的同步問題。

因爲JavaScript是單線程的，對於耗時的或者時間不肯定的操做，咱們能夠使用異步編程，由於異步能夠實現非阻塞操做。固然也能夠用HTML5標準的Web Worker。本文不做討論，詳細參考MDN文檔：點擊這裏

既然js是單線程執行的，那誰去輪詢大的任務隊列？這不矛盾了嗎？

 

Js的單線程與異步矛盾嗎？

不矛盾！！！首先記住這句話：Js執行是單線程，但瀏覽器是多線程。

1）JS的單線程

一個瀏覽器進程中只有一個JS的執行線程，同一時刻內只會有一段代碼在執行

 

2）瀏覽器是多線程

查閱資料，有些文章也說是模塊，本文就以瀏覽器是多線程來講，它有以下常駐線程：

渲染引擎線程：負責頁面的渲染

JS引擎線程：負責JS的解析和執行（本文說的主線程就指js引擎線程）

定時器觸發線程：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

        ......

瀏覽器是Js的使用場景，瀏覽器自己是典型的 GUI 工做線程（GUI 工做線程在絕大多數系統中都實現爲事件處理，避免阻塞交互）。故瀏覽器是事件驅動的（Event driven），瀏覽器中不少行爲是異步，會建立事件並放入任務隊列中。

因爲Javascript 是單線程，它須要藉助異步完成耗時或者時間不肯定的操做，這些操做由瀏覽器的其它線程執行，這造成了異步事件驅動。異步事件驅動每每由瀏覽器的兩個或以上常駐線程共同完成的。例如ajax異步請求是由JS執行線程和異步http請求線程，事件觸發線程共同完成的。

 

事件循環機制（Event Loop）

相關概念

棧

函數調用造成一個棧幀。

 1 function foo(b) {
 2   let a = 10;
 3   return a + b + 11;
 4 }
 5 
 6 function bar(x) {
 7   let y = 3;
 8   return foo(x * y);
 9 }
10 
11 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，一個用以表示一個內存中大的未被組織的區域。

每個線程只有一個棧，每個程序只有一個堆。

隊列

一個 JavaScript 運行時包含了一個待處理的消息隊列。每個消息都與一個函數相關聯。

當棧爲空時，從隊列中取出一個消息進行處理。這個處理過程包含了調用與這個消息相關聯的函數。

當棧再次爲空的時候，也就意味着消息處理結束。

 

任務隊列（消息隊列）

任務隊列是一個先進先出的數據結構，當主線程執行棧一清空，任務隊列的回調函數就自動進入主線程。任務分紅兩種：

1、同步任務：在主線程上排隊執行的任務。只有執行完當前任務，才能執行後一個任務。

2、異步任務：該任務不進入主線程、而進入任務隊列。當執行棧清空後，纔去執行任務隊列中的任務。

 

異步執行的運行機制

因爲JavaScript只能一次執行一段代碼（因爲其單線程性質），這些代碼塊中的每個都「阻止」其餘異步事件的進度。這意味着當異步事件發生時（如鼠標點擊，定時器觸發或XMLHttpRequest完成），它將排隊等待稍後執行（這種排隊實際發生的肯定會因瀏覽器到瀏覽器而異）。

1、全部同步任務都在主線程上執行，造成一個執行棧。

2、當遇到異步任務時（IO設備操做等），就在任務隊列中添加一個事件，這個事件對應着該異步任務的回調函數。

3、執行棧中的全部同步任務執行完畢，系統就會讀取任務隊列，進入執行棧，開始執行。

4、主線程不斷重複第三步。這就造成了事件循環

結論：Javascript的事件分同步任務和異步任務，遇到同步任務就放在執行棧中執行，而碰到異步任務就放到任務隊列之中，等到執行棧執行完畢以後再去執行任務隊列之中的事件。

 

事件和回調函數的概念必要說明

• 工做線程：是本文對除了js引擎線程以外的其它線程的統稱
• 回調函數：在一個函數中調用另一個函數。這裏指異步場景下爲了非阻塞那些被主線程掛起來的代碼。
•  主線程讀取任務隊列，就是讀取裏面有哪些事件，執行對應的回調函數。

工做線程完成一項任務，就向任務隊列中添加一個事件。這裏的完成任務是指完成操做（click、mouse、touch，ajax的數據徹底請求回來......），並不是指執行它的回調函數

a.onclick = function () {
  console.log("roro")
}

如上段代碼，僅是操做了click，但並無執行回調函數打印roro

 

事件循環

事件循環是：主線程重複從任務隊列中取消息（事件），執行對應回調函數的過程。

 

 

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）。只要執行引擎棧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。

 

定時器

首先參考這篇外國人的文章：how-javascript-timers-work，定時器的執行原理及細節。

setTimeout()怎麼執行？

setTimeout(function () {
  console.log('a');
}, 5000)

       Javascript執行引擎（主線程）運行的時候，產生堆和棧。程序中代碼依次進入棧中等待執行，當調用setTimeout()方法時，在瀏覽器的定時器線程下處理延時方法，當setTimeout方法執行5秒後，到達觸發條件，方法被添加到用於回調的任務隊列。

       當執行引擎的執行棧爲空，執行引擎開始輪詢檢查任務隊列是否有任務須要被執行，當檢查到已經符合執行條件的延時方法時，將延時方法console.log('a')壓入執行棧，引擎發現調用了log()方法，因而又將log()方法入棧。而後對執行棧依次出棧執行，輸出‘a’，清空執行棧，整個執行完畢。

 

setTimeout(fn，0)是當即執行嗎？

在javascript權威指南中：當setTimeout的延遲時間設置爲0的時候，回調函數不會立刻執行，而是進入 事件隊列。

 

btn.onclick = function () {
  setTimeout(function () {
    console.log('a')
  }, 0);
}

 

setTimeout(fn,0)的含義是：指定某個任務在主線程的空閒時間下，儘量早地執行。它被添加進任務隊列，所以要等到同步任務和任務隊列中的前一個事件都處理完，才會執行。

HTML5標準規定了setTimeout()的第二個參數的最小值不得低於4ms，若是低於這個值，就會自動增長。老版本的瀏覽器容許最短間隔設爲10ms。詳細參考MDN文檔：最小延遲和超時嵌套

因此setTimeout(fn,0)並非當即執行。倘若你想實現0ms 的timeout能夠用 window.postMessage()，本文不做討論。

 

兩道經典的面試題：

一）如下代碼輸出什麼？

function foo() {
  console.log('a')
  setTimeout(function () {
    console.log('b');
  }, 500)
}

for (let i = 0; i < 10000; i++) {
  foo()
}

執行結果：首先所有輸出a，中間等待500ms，而後所有輸出b。上圖是我的理解，不恰當的地方請指出！

 

二）ajax異步請求是否真的異步?

一、JS的執行線程（主線程）發起異步請求，瀏覽器會開一條新的HTTP請求線程來執行請求，繼續執行棧中剩下的任務，

二、在新線程（HTTP請求線程）中，在執行請求的同時，瀏覽器會正常處理其餘任務的執行。

3、在將來的某一時刻，當數據徹底請求回來之後，事件觸發線程監視到以前發起的HTTP請求已完成，會將指定的回調函數放入任務隊列中。

4、當瀏覽器執行棧空閒時，去掃描任務隊列中的回調函數，依次壓入執行棧中處理。

因此：ajax請求是異步。由瀏覽器新開一個線程請求，事件回調的時候放入Event loop任務隊列等候處理。詳細的例子，能夠參考MDN文檔對ajax的描述：同步和異步

 

誤解：事件循環相似棧或隊列

這裏順帶提一下：事件循環雖然涉及到相似隊列的結構，並非採用棧的方式處理任務。事件循環做爲一個進程被劃分爲多個階段，每一個階段處理一些特定任務，各階段輪詢調度。這些階段能夠是定時器處理，dom事件處理，ajax異步處理......

 

結語

JavaScript引擎只有一個線程，強制異步事件排隊等待執行，Javascript語言的事件循環，是瀏覽器的處理和行爲。另外，本文是我我的的學習筆記，通篇結合我的的理解，在某些地方表述不嚴謹，若有錯誤，但願指出。