什么是 Event Loop？

Event Loop 是一个很重要的概念，指的是计算机系统的一种运行机制。

JavaScript语言就采用这种机制，来解决单线程运行带来的一些问题。

本文参考C. Aaron Cois的《Understanding The Node.js Event Loop》，解释什么是Event Loop，以及它与JavaScript语言的单线程模型有何关系。

想要理解Event Loop，就要从程序的运行模式讲起。运行之后的程序叫作"进程"（process），通常状况下，一个进程一次只能执行一个任务。

若是有不少任务须要执行，不外乎三种解决方法。

（1）排队。由于一个进程一次只能执行一个任务，只好等前面的任务执行完了，再执行后面的任务。

（2）新建进程。使用fork命令，为每一个任务新建一个进程。

（3）新建线程。由于进程太耗费资源，因此现在的程序每每容许一个进程包含多个线程，由线程去完成任务。（进程和线程的详细解释，请看这里。）

以JavaScript语言为例，它是一种单线程语言，全部任务都在一个线程上完成，即采用上面的第一种方法。一旦遇到大量任务或者遇到一个耗时的任务，网页就会出现"假死"，由于JavaScript停不下来，也就没法响应用户的行为。

你也许会问，JavaScript为何是单线程，难道不能实现为多线程吗？

这跟历史有关系。JavaScript从诞生起就是单线程。缘由大概是不想让浏览器变得太复杂，由于多线程须要共享资源、且有可能修改彼此的运行结果，对于一种网页脚本语言来讲，这就太复杂了。后来就约定俗成，JavaScript为一种单线程语言。（Worker API能够实现多线程，可是JavaScript自己始终是单线程的。）

若是某个任务很耗时，好比涉及不少I/O（输入/输出）操做，那么线程的运行大概是下面的样子。

上图的绿色部分是程序的运行时间，红色部分是等待时间。能够看到，因为I/O操做很慢，因此这个线程的大部分运行时间都在空等I/O操做的返回结果。这种运行方式称为"同步模式"（synchronous I/O）或"堵塞模式"（blocking I/O）。

若是采用多线程，同时运行多个任务，那极可能就是下面这样。

上图代表，多线程不只占用多倍的系统资源，也闲置多倍的资源，这显然不合理。

Event Loop就是为了解决这个问题而提出的。Wikipedia这样定义：

"Event Loop是一个程序结构，用于等待和发送消息和事件。（a programming construct that waits for and dispatches events or messages in a program.）"

简单说，就是在程序中设置两个线程：一个负责程序自己的运行，称为"主线程"；另外一个负责主线程与其余进程（主要是各类I/O操做）的通讯，被称为"Event Loop线程"（能够译为"消息线程"）。

上图主线程的绿色部分，仍是表示运行时间，而橙色部分表示空闲时间。每当遇到I/O的时候，主线程就让Event Loop线程去通知相应的I/O程序，而后接着日后运行，因此不存在红色的等待时间。等到I/O程序完成操做，Event Loop线程再把结果返回主线程。主线程就调用事先设定的回调函数，完成整个任务。

能够看到，因为多出了橙色的空闲时间，因此主线程得以运行更多的任务，这就提升了效率。这种运行方式称为"异步模式"（asynchronous I/O）或"非堵塞模式"（non-blocking mode）。

这正是JavaScript语言的运行方式。单线程模型虽然对JavaScript构成了很大的限制，但也所以使它具有了其余语言不具有的优点。若是部署得好，JavaScript程序是不会出现堵塞的，这就是为何node.js平台能够用不多的资源，应付大流量访问的缘由。

（完）

 

 

 

 

 

 

1、为何JavaScript是单线程？

JavaScript语言的一大特色就是单线程，也就是说，同一个时间只能作一件事。那么，为何JavaScript不能有多个线程呢？这样能提升效率啊。

JavaScript的单线程，与它的用途有关。做为浏览器脚本语言，JavaScript的主要用途是与用户互动，以及操做DOM。这决定了它只能是单线程，不然会带来很复杂的同步问题。好比，假定JavaScript同时有两个线程，一个线程在某个DOM节点上添加内容，另外一个线程删除了这个节点，这时浏览器应该以哪一个线程为准？

因此，为了不复杂性，从一诞生，JavaScript就是单线程，这已经成了这门语言的核心特征，未来也不会改变。

为了利用多核CPU的计算能力，HTML5提出Web Worker标准，容许JavaScript脚本建立多个线程，可是子线程彻底受主线程控制，且不得操做DOM。因此，这个新标准并无改变JavaScript单线程的本质。

2、任务队列

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。若是前一个任务耗时很长，后一个任务就不得不一直等着。

若是排队是由于计算量大，CPU忙不过来，倒也算了，可是不少时候CPU是闲着的，由于IO设备（输入输出设备）很慢（好比Ajax操做从网络读取数据），不得不等着结果出来，再往下执行。

JavaScript语言的设计者意识到，这时主线程彻底能够无论IO设备，挂起处于等待中的任务，先运行排在后面的任务。等到IO设备返回告终果，再回过头，把挂起的任务继续执行下去。

因而，全部任务能够分红两种，一种是同步任务（synchronous），另外一种是异步任务（asynchronous）。同步任务指的是，在主线程上排队执行的任务，只有前一个任务执行完毕，才能执行后一个任务；异步任务指的是，不进入主线程、而进入"任务队列"（task queue）的任务，只有"任务队列"通知主线程，某个异步任务能够执行了，该任务才会进入主线程执行。

具体来讲，异步执行的运行机制以下。（同步执行也是如此，由于它能够被视为没有异步任务的异步执行。）

（1）全部同步任务都在主线程上执行，造成一个执行栈（execution context stack）。

（2）主线程以外，还存在一个"任务队列"（task queue）。只要异步任务有了运行结果，就在"任务队列"之中放置一个事件。

（3）一旦"执行栈"中的全部同步任务执行完毕，系统就会读取"任务队列"，看看里面有哪些事件。那些对应的异步任务，因而结束等待状态，进入执行栈，开始执行。

（4）主线程不断重复上面的第三步。

下图就是主线程和任务队列的示意图。

只要主线程空了，就会去读取"任务队列"，这就是JavaScript的运行机制。这个过程会不断重复。

3、事件和回调函数

"任务队列"是一个事件的队列（也能够理解成消息的队列），IO设备完成一项任务，就在"任务队列"中添加一个事件，表示相关的异步任务能够进入"执行栈"了。主线程读取"任务队列"，就是读取里面有哪些事件。

"任务队列"中的事件，除了IO设备的事件之外，还包括一些用户产生的事件（好比鼠标点击、页面滚动等等）。只要指定过回调函数，这些事件发生时就会进入"任务队列"，等待主线程读取。

所谓"回调函数"（callback），就是那些会被主线程挂起来的代码。异步任务必须指定回调函数，当主线程开始执行异步任务，就是执行对应的回调函数。

"任务队列"是一个先进先出的数据结构，排在前面的事件，优先被主线程读取。主线程的读取过程基本上是自动的，只要执行栈一清空，"任务队列"上第一位的事件就自动进入主线程。可是，因为存在后文提到的"定时器"功能，主线程首先要检查一下执行时间，某些事件只有到了规定的时间，才能返回主线程。

4、Event Loop

主线程从"任务队列"中读取事件，这个过程是循环不断的，因此整个的这种运行机制又称为Event Loop（事件循环）。

为了更好地理解Event Loop，请看下图（转引自Philip Roberts的演讲《Help, I'm stuck in an event-loop》）。

上图中，主线程运行的时候，产生堆（heap）和栈（stack），栈中的代码调用各类外部API，它们在"任务队列"中加入各类事件（click，load，done）。只要栈中的代码执行完毕，主线程就会去读取"任务队列"，依次执行那些事件所对应的回调函数。

执行栈中的代码（同步任务），老是在读取"任务队列"（异步任务）以前执行。请看下面这个例子。

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

上面代码中的req.send方法是Ajax操做向服务器发送数据，它是一个异步任务，意味着只有当前脚本的全部代码执行完，系统才会去读取"任务队列"。因此，它与下面的写法等价。

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

也就是说，指定回调函数的部分（onload和onerror），在send()方法的前面或后面可有可无，由于它们属于执行栈的一部分，系统老是执行完它们，才会去读取"任务队列"。

5、定时器

除了放置异步任务的事件，"任务队列"还能够放置定时事件，即指定某些代码在多少时间以后执行。这叫作"定时器"（timer）功能，也就是定时执行的代码。

定时器功能主要由setTimeout()和setInterval()这两个函数来完成，它们的内部运行机制彻底同样，区别在于前者指定的代码是一次性执行，后者则为反复执行。如下主要讨论setTimeout()。

setTimeout()接受两个参数，第一个是回调函数，第二个是推迟执行的毫秒数。

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

上面代码的执行结果是1，3，2，由于setTimeout()将第二行推迟到1000毫秒以后执行。

若是将setTimeout()的第二个参数设为0，就表示当前代码执行完（执行栈清空）之后，当即执行（0毫秒间隔）指定的回调函数。

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

上面代码的执行结果老是2，1，由于只有在执行完第二行之后，系统才会去执行"任务队列"中的回调函数。

总之，setTimeout(fn,0)的含义是，指定某个任务在主线程最先可得的空闲时间执行，也就是说，尽量早得执行。它在"任务队列"的尾部添加一个事件，所以要等到同步任务和"任务队列"现有的事件都处理完，才会获得执行。

HTML5标准规定了setTimeout()的第二个参数的最小值（最短间隔），不得低于4毫秒，若是低于这个值，就会自动增长。在此以前，老版本的浏览器都将最短间隔设为10毫秒。另外，对于那些DOM的变更（尤为是涉及页面从新渲染的部分），一般不会当即执行，而是每16毫秒执行一次。这时使用requestAnimationFrame()的效果要好于setTimeout()。

须要注意的是，setTimeout()只是将事件插入了"任务队列"，必须等到当前代码（执行栈）执行完，主线程才会去执行它指定的回调函数。要是当前代码耗时很长，有可能要等好久，因此并无办法保证，回调函数必定会在setTimeout()指定的时间执行。

6、Node.js的Event Loop

Node.js也是单线程的Event Loop，可是它的运行机制不一样于浏览器环境。

请看下面的示意图（做者@BusyRich）。

根据上图，Node.js的运行机制以下。

（1）V8引擎解析JavaScript脚本。

（2）解析后的代码，调用Node API。

（3）libuv库负责Node API的执行。它将不一样的任务分配给不一样的线程，造成一个Event Loop（事件循环），以异步的方式将任务的执行结果返回给V8引擎。

（4）V8引擎再将结果返回给用户。

除了setTimeout和setInterval这两个方法，Node.js还提供了另外两个与"任务队列"有关的方法：process.nextTick和setImmediate。它们能够帮助咱们加深对"任务队列"的理解。

process.nextTick方法能够在当前"执行栈"的尾部----下一次Event Loop（主线程读取"任务队列"）以前----触发回调函数。也就是说，它指定的任务老是发生在全部异步任务以前。setImmediate方法则是在当前"任务队列"的尾部添加事件，也就是说，它指定的任务老是在下一次Event Loop时执行，这与setTimeout(fn, 0)很像。请看下面的例子（via StackOverflow）。

process.nextTick(function A() { console.log(1); process.nextTick(function B(){console.log(2);}); }); setTimeout(function timeout() { console.log('TIMEOUT FIRED'); }, 0) // 1 // 2 // TIMEOUT FIRED 

上面代码中，因为process.nextTick方法指定的回调函数，老是在当前"执行栈"的尾部触发，因此不只函数A比setTimeout指定的回调函数timeout先执行，并且函数B也比timeout先执行。这说明，若是有多个process.nextTick语句（无论它们是否嵌套），将所有在当前"执行栈"执行。

如今，再看setImmediate。

setImmediate(function A() { console.log(1); setImmediate(function B(){console.log(2);}); }); setTimeout(function timeout() { console.log('TIMEOUT FIRED'); }, 0); 

上面代码中，setImmediate与setTimeout(fn,0)各自添加了一个回调函数A和timeout，都是在下一次Event Loop触发。那么，哪一个回调函数先执行呢？答案是不肯定。运行结果多是1--TIMEOUT FIRED--2，也多是TIMEOUT FIRED--1--2。

使人困惑的是，Node.js文档中称，setImmediate指定的回调函数，老是排在setTimeout前面。实际上，这种状况只发生在递归调用的时候。

setImmediate(function (){ setImmediate(function A() { console.log(1); setImmediate(function B(){console.log(2);}); }); setTimeout(function timeout() { console.log('TIMEOUT FIRED'); }, 0); }); // 1 // TIMEOUT FIRED // 2 

上面代码中，setImmediate和setTimeout被封装在一个setImmediate里面，它的运行结果老是1--TIMEOUT FIRED--2，这时函数A必定在timeout前面触发。至于2排在TIMEOUT FIRED的后面（即函数B在timeout后面触发），是由于setImmediate老是将事件注册到下一轮Event Loop，因此函数A和timeout是在同一轮Loop执行，而函数B在下一轮Loop执行。

咱们由此获得了process.nextTick和setImmediate的一个重要区别：多个process.nextTick语句老是在当前"执行栈"一次执行完，多个setImmediate可能则须要屡次loop才能执行完。事实上，这正是Node.js 10.0版添加setImmediate方法的缘由，不然像下面这样的递归调用process.nextTick，将会没完没了，主线程根本不会去读取"事件队列"！

process.nextTick(function foo() { process.nextTick(foo); }); 

事实上，如今要是你写出递归的process.nextTick，Node.js会抛出一个警告，要求你改为setImmediate。

另外，因为process.nextTick指定的回调函数是在本次"事件循环"触发，而setImmediate指定的是在下次"事件循环"触发，因此很显然，前者老是比后者发生得早，并且执行效率也高（由于不用检查"任务队列"）。

（完）