JavaScript：同步、异步和事件循环

时间  2019-11-13 标签 javascript 同步 异步 事件 循环

一. 单线程

咱们常说“JavaScript是单线程的”。javascript

所谓单线程，是指在JS引擎中负责解释和执行JavaScript代码的线程只有一个。不妨叫它主线程。java

可是实际上还存在其余的线程。例如：处理AJAX请求的线程、处理DOM事件的线程、定时器线程、读写文件的线程(例如在Node.js中)等等。这些线程可能存在于JS引擎以内，也可能存在于JS引擎以外，在此咱们不作区分。不妨叫它们工做线程。ajax

二. 同步和异步

假设存在一个函数A：编程

A(args...);

同步：若是在函数A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。segmentfault

例如：异步

Math.sqrt(2);

console.log('Hi');

  • 第一个函数返回时，就拿到了预期的返回值：2的平方根。函数

  • 第二个函数返回时，就看到了预期的效果：在控制台打印了一个字符串。url

因此这两个函数都是同步的。spa

异步：若是在函数A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。线程

例如：

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

在上面的代码中，咱们但愿经过fs.readFile函数读取文件foo.txt中的内容，并打印出来。

可是在fs.readFile函数返回时，咱们指望的结果并不会发生，而是要等到文件所有读取完成以后。若是文件很大的话可能要很长时间。

下面以AJAX请求为例，来看一下同步和异步的区别：

 

  • 异步AJAX：

主线程：“你好，AJAX线程。请你帮我发个HTTP请求吧，我把请求地址和参数都给你了。”
AJAX线程：“好的，主线程。我立刻去发，但可能要花点儿时间呢，你能够先去忙别的。”
主线程：：“谢谢，你拿到响应后告诉我一声啊。”
(接着，主线程作其余事情去了。一顿饭的时间后，它收到了响应到达的通知。)

 

  • 同步AJAX：

主线程：“你好，AJAX线程。请你帮我发个HTTP请求吧，我把请求地址和参数都给你了。”

AJAX线程：“......”
主线程：：“喂，AJAX线程，你怎么不说话？”
AJAX线程：“......”
主线程：“喂！喂喂喂！”
AJAX线程：“......”
(一炷香的时间后)
主线程：：“喂！求你说句话吧！”
AJAX线程：“主线程，很差意思，我在工做的时候不能说话。你的请求已经发完了，拿到响应数据了，给你。”

 

正是因为JavaScript是单线程的，而异步容易实现非阻塞，因此在JavaScript中对于耗时的操做或者时间不肯定的操做，使用异步就成了必然的选择。异步是这篇文章关注的重点。

三. 异步过程的构成要素

从上文能够看出，异步函数实际上很快就调用完成了。可是后面还有工做线程执行异步任务、通知主线程、主线程调用回调函数等不少步骤。咱们把整个过程叫作异步过程。异步函数的调用在整个异步过程当中，只是一小部分。

总结一下，一个异步过程一般是这样的：

主线程发起一个异步请求，相应的工做线程接收请求并告知主线程已收到(异步函数返回)；主线程能够继续执行后面的代码，同时工做线程执行异步任务；工做线程完成工做后，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)。

异步函数一般具备如下的形式：

A(args..., callbackFn)

它能够叫作异步过程的发起函数，或者叫作异步任务注册函数。args是这个函数须要的参数。callbackFn也是这个函数的参数，可是它比较特殊因此单独列出来。

因此，从主线程的角度看，一个异步过程包括下面两个要素：

  • 发起函数(或叫注册函数)A

  • 回调函数 callbackFn 

它们都是在主线程上调用的，其中注册函数用来发起异步过程，回调函数用来处理结果。

举个具体的例子：

setTimeout(fn, 1000);

其中的 setTimeout 就是异步过程的发起函数， fn 是回调函数。

注意：前面说的形式 A(args..., callbackFn) 只是一种抽象的表示，并不表明回调函数必定要做为发起函数的参数，例如：

var xhr = new XMLHttpRequest();
xhr.onreadystatechange = xxx; // 添加回调函数
xhr.open('GET', url);
xhr.send(); // 发起函数

发起函数和回调函数就是分离的。

四. 消息队列和事件循环

上文讲到，异步过程当中，工做线程在异步操做完成后须要通知主线程。那么这个通知机制是怎样实现的呢？答案是利用消息队列和事件循环。

用一句话归纳：

工做线程将消息放到消息队列，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。

实际上，主线程只会作一件事情，就是从消息队列里面取消息、执行消息，再取消息、再执行。当消息队列为空时，就会等待直到消息队列变成非空。并且主线程只有在将当前的消息执行完成后，才会去取下一个消息。这种机制就叫作事件循环机制，取一个消息并执行的过程叫作一次循环。

事件循环用代码表示大概是这样的：

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

那么，消息队列中放的消息具体是什么东西？消息的具体结构固然跟具体的实现有关，可是为了简单起见，咱们能够认为：

消息就是注册异步任务时添加的回调函数。

再次以异步AJAX为例，假设存在以下的代码：

$.ajax('http://segmentfault.com', function(resp) {
    console.log('我是响应：', resp);
});

// 其余代码
...
...
...

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segmentfault.com，拿到响应后，它会把响应封装成一个JavaScript对象，而后构造一条消息：

// 消息队列中的消息就长这个样子
var message = function () {
    callbackFn(response);
}

其中的 callbackFn 就是前面代码中获得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。

用图表示这个过程就是：

从上文中咱们也能够获得这样一个明显的结论，就是：

异步过程的回调函数，必定不在当前这一轮事件循环中执行。

五. 异步与事件

上文中说的“事件循环”，为何里面有个事件呢？那是由于：

消息队列中的每条消息实际上都对应着一个事件。

上文中一直没有提到一类很重要的异步过程：DOM事件。

举例来讲：

var button = document.getElement('#btn');
button.addEventListener('click', function(e) {
    console.log();
});

从事件的角度来看，上述代码表示：在按钮上添加了一个鼠标单击事件的事件监听器；当用户点击按钮时，鼠标单击事件触发，事件监听器函数被调用。

从异步过程的角度看， 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到消息队列中，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。我以为它的存在是为了编程接口对开发者更友好。

另外一方面，全部的异步过程也均可以用事件来描述。例如：setTimeout能够当作对应一个时间到了的事件。前文的 setTimeout(fn, 1000); 能够当作：

timer.addEventListener('timeout', 1000, fn);

六. 生产者与消费者

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。

PS：ECMAScript 262规范中，并无对异步、事件队列等概念及其实现的描述。这些都是具体的JavaScript运行时环境使用的机制。本文重点是描述异步过程的原理，为了便于理解作了不少简化。因此文中的某些术语的使用多是不许确的，具体细节也未必是正确的，例如消息队列中消息的结构。请读者注意。

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