JavaScript 逐点突破之单线程与异步，做为前端必知必会

已知，JavaScript 是单线程的，天生异步，适合 IO 密集型，不适合 CPU 密集型，可是，为何是异步的喃，异步由何而来的喃，咱们将在这里逐渐讨论实现。

1、进程与线程

1. 浏览器是多进程的

它主要包括如下进程：

• Browser 进程：浏览器的主进程，惟一，负责建立和销毁其它进程、网络资源的下载与管理、浏览器界面的展现、前进后退等。
• GPU 进程：用于 3D 绘制等，最多一个。
• 第三方插件进程：每种类型的插件对应一个进程，仅当使用该插件时才建立。
• 浏览器渲染进程（浏览器内核）：内部是多线程的，每打开一个新网页就会建立一个进程，主要用于页面渲染，脚本执行，事件处理等。

2. 渲染进程（浏览器内核）

浏览器的渲染进程是多线程的，页面的渲染，JavaScript 的执行，事件的循环，都在这个进程内进行：

• GUI 渲染线程：负责渲染浏览器界面，当界面须要重绘（Repaint）或因为某种操做引起回流(Reflow)时，该线程就会执行。
• JavaScript 引擎线程：也称为 JavaScript 内核，负责处理 Javascript 脚本程序、解析 Javascript 脚本、运行代码等。（例如 V8 引擎）
• 事件触发线程：用来控制浏览器事件循环，注意这不归 JavaScript 引擎线程管，当事件被触发时，该线程会把事件添加到待处理队列的队尾，等待 JavaScript 引擎的处理。
• 定时触发器线程：传说中的 setInterval 与 setTimeout 所在线程，注意，W3C 在 HTML 标准中规定，规定要求 setTimeout 中低于 4ms 的时间间隔算为 4ms 。
• 异步 http 请求线程：在 XMLHttpRequest 链接后经过浏览器新开一个线程请求，将检测到状态变动时，若是设置有回调函数，异步线程就产生状态变动事件，将这个回调再放入事件队列中。再由 JavaScript 引擎执行。

注意，GUI 渲染线程与 JavaScript 引擎线程是互斥的，当 JavaScript 引擎执行时 GUI 线程会被挂起（至关于被冻结了），GUI 更新会被保存在一个队列中等到 JavaScript 引擎空闲时当即被执行。因此若是 JavaScript 执行的时间过长，这样就会形成页面的渲染不连贯，致使页面渲染加载阻塞。

2、单线程的 JavaScript

所谓单线程，是指在 JavaScript 引擎中负责解释和执行 JavaScript 代码的线程惟一，同一时间上只能执行一件任务。

问题：首先为何要引入单线程喃？

咱们知道：

• 浏览器须要渲染 DOM
• JavaScript 能够修改 DOM 结构
• JavaScript 执行时，浏览器 DOM 渲染中止

若是 JavaScript 引擎线程不是单线程的，那么能够同时执行多段 JavaScript，若是这多段 JavaScript 都修改 DOM，那么就会出现 DOM 冲突。

你可能会说，web worker 就支持多线程，可是 web worker 不能访问 window 对象，document 对象等。

缘由：避免 DOM 渲染的冲突

固然，咱们能够为浏览器引入锁 的机制来解决这些冲突，但其大大提升了复杂性，因此 JavaScript从诞生开始就选择了单线程执行。

引入单线程就意味着，全部任务须要排队，前一个任务结束，才会执行后一个任务。这同时又致使了一个问题：若是前一个任务耗时很长，后一个任务就不得不一直等着。

// 实例1
let i, sum = 0
for(i = 0; i < 1000000000; i ++) {
    sum += i
}
console.log(sum)
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在实例1中，sum 并不能马上打印出来，必须在 for 循环执行完成以后才能执行 console.log(sum) 。

// 实例2
console.log(1)
alert('hello')
console.log(2)
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在实例2中，浏览器先打印 1 ，而后弹出弹框，点击肯定后才执行 console.log(2) 。

总结：

• 优势：实现比较简单，执行环境相对单纯
• 缺点：只要有一个任务耗时很长，后面的任务都必须排队等着，会拖延整个程序的执行。常见的浏览器无响应（假死），每每就是由于某一段 Javascript 代码长时间运行（好比死循环），致使整个页面卡在这个地方，其余任务没法执行。

为了解决这个问题，JavaScript 语言将任务的执行模式分为两种：同步和异步

3、同步与异步

1. 同步

func(args...)
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若是在函数 func 返回的时候，调用者就可以获得预期结果(即拿到了预期的返回值或者看到了预期的效果)，那么这个函数就是同步的。

let a = 1
Math.floor(a)
console.log(a) // 1
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2. 异步

若是在函数 func 返回的时候，调用者还不可以获得预期结果，而是须要在未来经过必定的手段获得，那么这个函数就是异步的。

fs.readFile('foo.txt', 'utf8', function(err, data) {
    console.log(data);
});
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总结：

JavaScript 采用异步编程缘由有两点，

• 一是 JavaScript 是单线程；
• 二是为了提升 CPU 的利用率。

4、异步过程

fs.readFile('data.json', 'utf8', function(err, data) {
    console.log(data)
})
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在执行这段代码时，fs.readFile 函数返回时，并不会马上打印 data ，只有 data.json 读取完成时才打印。也就是异步函数 fs.readFile 执行很快，但后面还有工做线程执行异步任务、通知主线程、主线程回调等操做，这个过程就叫作异步过程。

主线程发起一个异步操做，相应的工做线程接受请求并告知主线程已收到（异步函数返回）；主线程继续执行后面的任务，同时工做线程执行异步任务；工做线程完成任务后，通知主线程；主线程收到通知后，执行必定的动做（调用回调函数）。

工做线程在异步操做完成后通知主线程，那么这个通知机制又是如何显现喃？答案就是就是消息队列与事件循环。

5、消息队列与事件循环

工做线程将消息放在消息队列，主线程经过事件循环过程去取消息。

• 消息队列：消息队列是一个先进先出的队列，它里面存放着各类消息。
• 事件循环：事件循环是指主线程重复从消息队列中取消息、执行的过程。

1. 事件循环（eventloop）

主线程不断的从消息队列中取消息，执行消息，这个过程称为事件循环，这种机制叫事件循环机制，取一次消息并执行的过程叫一次循环。

大体实现过程以下：

while(true) {
    var message = queue.get()
    execute(message)
}
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例如：

$.ajax({
    url: 'xxxx',
    success: function(result) {
        console.log(1)
    }
})
setTimeout(function() {
    console.log(2)
}, 100)
setTimeout(function() {
    console.log(3)
})
console.log(4)
// output：4321 或 4312
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其中，主线程：

// 主线程
console.log(4)
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异步队列：

// 异步队列
function () {
    console.log(3)
}
function () { // 100ms后
    console.log(2)
}
function() { // ajax加载完成以后
    console.log(1)
}
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事件循环是JavaScript实现异步的具体解决方案，其中同步代码，直接执行；异步函数先放在异步队列中，待同步函数执行完毕后，轮询执行 异步队列 的回调函数。

2. 消息队列

其中，消息就是注册异步任务时添加的回调函数。

$.ajax('XXX', function(res) {
    console.log(res)
})
...
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主线程在发起 AJAX 请求后，会继续执行其余代码，AJAX 线程负责请求 XXX，拿到请求后，会封装成 JavaScript 对象，而后构造一条消息：

// 消息队列里的消息
var message = function () {
    callback(response)
}
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其中 callback 是 AJAX 网络请求成功响应时的回调函数。

主线程在执行完当前循环中的全部代码后，就会到消息队列取出这条消息(也就是 message 函数)，并执行它。到此为止，就完成了工做线程对主线程的 通知 ，回调函数也就获得了执行。若是一开始主线程就没有提供回调函数，AJAX 线程在收到 HTTP 响应后，也就不必通知主线程，从而也不必往消息队列放消息。

异步过程当中的回调函数，必定不在当前这一轮事件循环中执行。

6、异步与事件

消息队列中的每条消息实际上都对应着一个事件。

其中一个重要的异步过程就是： DOM事件

var button = document.getElementById('button')
button.addEventListener('click', function(e) {
    console.log('事件')
})
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从异步的角度看，addEventListener 函数就是异步过程的发起函数，事件监听器函数就是异步过程的回调函数。事件触发时，表示异步任务完成，会将事件监听器函数封装成一条消息放在消息队列中，等待主线程执行。

事件的概念实际上并非必须的，事件机制实际上就是异步过程的通知机制。

另外，全部的异步过程也均可以用事件来描述。例如：

setTimeout(func, 1000)
// 能够当作：
timer.addEventListener('timeout', 1000, func)
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7、生产者与消费者

生产者和消费者问题是线程模型中的经典问题：生产者和消费者在同一时间段内共用同一个存储空间，生产者往存储空间中添加数据，消费者从存储空间中取走数据，当存储空间为空时，消费者阻塞，当存储空间满时，生产者阻塞。

从生产者与消费者的角度看，异步过程是这样的：

工做线程是生产者，主线程是消费者(只有一个消费者)。工做线程执行异步任务，执行完成后把对应的回调函数封装成一条消息放到消息队列中；主线程不断地从消息队列中取消息并执行，当消息队列空时主线程阻塞，直到消息队列再次非空。

那么异步的实现方式有哪些喃？

• ES6以前：callback、eventloop、Promise
• ES6：Generator

• ES7:Async/Await

  8、前端JS面试资料

  
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