JavaScript 運行機制詳解：Event Loop

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

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，這時主線程徹底能夠無論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，全部任務能夠分紅兩種，一種是同步任務（synchronous），另外一種是異步任務（asynchronous）。

• 同步任務：在主線程上排隊執行的任務，只有前一個任務執行完畢，才能執行後一個任務；
• 異步任務：不進入主線程、而進入"任務隊列"（task queue）的任務，只有"任務隊列"通知主線程，某個異步任務能夠執行了，該任務纔會進入主線程執行。

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）全部同步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）。只要異步任務有了運行結果，就在"任務隊列"之中放置一個事件。

（3）一旦"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"，看看裏面有哪些事件。那些對應的異步任務，因而結束等待狀態，進入執行棧，開始執行。

（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"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，當主線程開始執行異步任務，就是執行對應的回調函數。

"任務隊列"是一個先進先出的數據結構，排在前面的事件，優先被主線程讀取。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進入主線程。可是，因爲存在後文提到的"定時器"功能，主線程首先要檢查一下執行時間，某些事件只有到了規定的時間，才能返回主線程。

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（同步任務），老是在讀取"任務隊列"（異步任務）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

除了放置異步任務的事件，"任務隊列"還能夠放置定時事件，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。

總之，setTimeout(fn,0)的含義是，指定某個任務在主線程最先可得的空閒時間執行，也就是說，儘量早得執行。它在"任務隊列"的尾部添加一個事件，所以要等到同步任務和"任務隊列"現有的事件都處理完，纔會獲得執行。

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requestAnimationFrame()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、宏任務和微任務

常見的宏任務和微任務：

• macro-task(宏任務)：setTimeout, setInterval, setImmediate, I/O
• micro-task(微任務)：process.nextTick, 原生Promise(有些實現的promise將then方法放到了宏任務中),Object.observe(已廢棄), MutationObserver

看下面的例子：

console.log('script start'); setTimeout(function() { console.log('setTimeout'); }, 0); Promise.resolve().then(function() { console.log('promise1'); }).then(function() { console.log('promise2'); }); console.log('script end');

上面代碼的執行順序是什麼呢？這是爲何呢？

script start
script end
promise1
promise2
setTimeout

 

Task是嚴格按照時間順序壓棧和執行的，因此瀏覽器可以使得 JavaScript 內部任務與 DOM 任務可以有序的執行。當一個 task 執行結束後，在下一個 task 執行開始前，瀏覽器能夠對頁面進行從新渲染。每個 task 都是須要分配的，例如從用戶的點擊操做到一個點擊事件，渲染HTML文檔，同時還有上面例子中的 setTimeout。

基於前面描述的event loop，setTimeout 它會在延遲時間結束後分配一個新的 task 至 event loop 中，而不是當即執行，因此 setTimeout 的回調函數會等待前面的 task 都執行結束後再運行。這就是爲何 setTimeout 會輸出在 script end 以後，由於 script end 是第一個 task 的其中一部分，而 setTimeout 則是一個新的 task。

微任務一般來講就是須要在當前 task 執行結束後當即執行的任務，例如須要對一系列的任務作出迴應，或者是須要異步的執行任務而又不須要分配一個新的 task，這樣即可以減少一點性能的開銷。

微任務任務隊列是一個與 task 任務隊列相互獨立的隊列，微任務將會在每個 task 任務執行結束以後執行。每個 task 中產生的 微任務 都將會添加到 微任務 隊列中，微任務 中產生的 微任務 將會添加至當前隊列的尾部，而且 微任務 會按序的處理完隊列中的全部任務。

每當一個 Promise 被決議（或是被拒絕），便會將其回調函數添加至 微任務隊列中做爲一個新的 微任務。這也保證了 Promise 能夠異步的執行。因此當咱們調用 .then(resolve, reject)的時候，會當即生成一個新的 微任務添加至隊列中，這就是爲何上面的 promise1 和 promise2 會輸出在 script end 以後，由於 微任務隊列中的任務必須等待當前 task 執行結束後再執行，而 promise1 和 promise2 輸出在 setTimeout 以前，這是由於 setTimeout 是一個新的 task，而 微任務執行在當前 task 結束以後，下一個 task 開始以前。