JavaScript 运行机制详解：Event Loop

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

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：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：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、宏任务和微任务

常见的宏任务和微任务：

• macro-task(宏任务)：setTimeout, setInterval, setImmediate, I/O
• micro-task(微任务)：process.nextTick, 原生Promise(有些实现的promise将then方法放到了宏任务中),Object.observe(已废弃), 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');

上面代码的执行顺序是什么呢？这是为何呢？

script start
script end
promise1
promise2
setTimeout

 

Task是严格按照时间顺序压栈和执行的，因此浏览器可以使得 JavaScript 内部任务与 DOM 任务可以有序的执行。当一个 task 执行结束后，在下一个 task 执行开始前，浏览器能够对页面进行从新渲染。每个 task 都是须要分配的，例如从用户的点击操做到一个点击事件，渲染HTML文档，同时还有上面例子中的 setTimeout。

基于前面描述的event loop，setTimeout 它会在延迟时间结束后分配一个新的 task 至 event loop 中，而不是当即执行，因此 setTimeout 的回调函数会等待前面的 task 都执行结束后再运行。这就是为何 setTimeout 会输出在 script end 以后，由于 script end 是第一个 task 的其中一部分，而 setTimeout 则是一个新的 task。

微任务一般来讲就是须要在当前 task 执行结束后当即执行的任务，例如须要对一系列的任务作出回应，或者是须要异步的执行任务而又不须要分配一个新的 task，这样即可以减少一点性能的开销。

微任务任务队列是一个与 task 任务队列相互独立的队列，微任务将会在每个 task 任务执行结束以后执行。每个 task 中产生的 微任务 都将会添加到 微任务 队列中，微任务 中产生的 微任务 将会添加至当前队列的尾部，而且 微任务 会按序的处理完队列中的全部任务。

每当一个 Promise 被决议（或是被拒绝），便会将其回调函数添加至 微任务队列中做为一个新的 微任务。这也保证了 Promise 能够异步的执行。因此当咱们调用 .then(resolve, reject)的时候，会当即生成一个新的 微任务添加至队列中，这就是为何上面的 promise1 和 promise2 会输出在 script end 以后，由于 微任务队列中的任务必须等待当前 task 执行结束后再执行，而 promise1 和 promise2 输出在 setTimeout 以前，这是由于 setTimeout 是一个新的 task，而 微任务执行在当前 task 结束以后，下一个 task 开始以前。