JavaScript异步机制详解

学习JavaScript的时候了解到JavaScript是单线程的，刚开始很疑惑，单线程怎么处理网络请求、文件读写等耗时操做呢？效率岂不是会很低？随着对这方面内容的了解和深刻，知道了其中的奥秘。本篇文章就主要讲解一下JavaScript怎么处理异步问题。

1、同步与异步

在介绍JavaScript的异步机制以前，首先介绍一下：什么是同步？什么是异步？

同步

若是在函数返回的时候，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。

以下所示：

//在函数返回时，得到了预期值，即2的平方根
Math.sqrt(2);
//在函数返回时，得到了预期的效果，即在控制台上打印了'hello'
console.log('hello');
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上面两个函数就是同步的。

若是函数是同步的，即便调用函数执行的任务比较耗时，也会一直等待直到获得预期结果。

异步

若是在函数返回的时候，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。

以下所示：

//读取文件
fs.readFile('hello.txt', 'utf8', function(err, data) {
    console.log(data);
});
//网络请求
var xhr = new XMLHttpRequest();
xhr.onreadystatechange = xxx; // 添加回调函数
xhr.open('GET', url);
xhr.send(); // 发起函数
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上述示例中读取文件函数 readFile和网络请求的发起函数 send都将执行耗时操做，虽然函数会当即返回，可是不能马上获取预期的结果，由于耗时操做交给其余线程执行，暂时获取不到预期结果（后面介绍）。而在JavaScript中经过回调函数 function(err, data) { console.log(data); }和 onreadystatechange ，在耗时操做执行完成后把相应的结果信息传递给回调函数，通知执行JavaScript代码的线程执行回调。

若是函数是异步的，发出调用以后，立刻返回，可是不会立刻返回预期结果。调用者没必要主动等待，当被调用者获得结果以后会经过回调函数主动通知调用者。

2、单线程与多线程

在上面介绍异步的过程当中就可能会纳闷：既然JavaScript是单线程，怎么还存在异步，那些耗时操做到底交给谁去执行了？

JavaScript其实就是一门语言，说是单线程仍是多线程得结合具体运行环境。JS的运行一般是在浏览器中进行的，具体由JS引擎去解析和运行。下面咱们来具体了解一下浏览器。

浏览器

目前最为流行的浏览器为：Chrome，IE，Safari，FireFox，Opera。浏览器的内核是多线程的。

一个浏览器一般由如下几个常驻的线程：

• 渲染引擎线程：顾名思义，该线程负责页面的渲染
• JS引擎线程：负责JS的解析和执行
• 定时触发器线程：处理定时事件，好比setTimeout, setInterval
• 事件触发线程：处理DOM事件
• 异步http请求线程：处理http请求

须要注意的是，渲染线程和JS引擎线程是不能同时进行的。渲染线程在执行任务的时候，JS引擎线程会被挂起。由于JS能够操做DOM，若在渲染中JS处理了DOM，浏览器可能就不知所措了。

JS引擎

一般讲到浏览器的时候，咱们会说到两个引擎：渲染引擎和JS引擎。渲染引擎就是如何渲染页面，Chrome／Safari／Opera用的是Webkit引擎，IE用的是Trident引擎，FireFox用的是Gecko引擎。不一样的引擎对同一个样式的实现不一致，就致使了常常被人诟病的浏览器样式兼容性问题。这里咱们不作具体讨论。

JS引擎能够说是JS虚拟机，负责JS代码的解析和执行。一般包括如下几个步骤：

• 词法分析：将源代码分解为有意义的分词
• 语法分析：用语法分析器将分词解析成语法树
• 代码生成：生成机器能运行的代码
• 代码执行

不一样浏览器的JS引擎也各不相同，Chrome用的是V8，FireFox用的是SpiderMonkey，Safari用的是JavaScriptCore，IE用的是Chakra。

之因此说JavaScript是单线程，就是由于浏览器在运行时只开启了一个JS引擎线程来解析和执行JS。那为何只有一个引擎呢？若是同时有两个线程去操做DOM，浏览器是否是又要不知所措了。

因此，虽然JavaScript是单线程的，但是浏览器内部不是单线程的。一些I/O操做、定时器的计时和事件监听（click, keydown...）等都是由浏览器提供的其余线程来完成的。

3、消息队列与事件循环

经过以上了解，能够知道其实JavaScript也是经过JS引擎线程与浏览器中其余线程交互协做实现异步。可是回调函数具体什么时候加入到JS引擎线程中执行？执行顺序是怎么样的？

这一切的解释就须要继续了解消息队列和事件循环。

如上图所示，左边的栈存储的是同步任务，就是那些能当即执行、不耗时的任务，如变量和函数的初始化、事件的绑定等等那些不须要回调函数的操做均可归为这一类。

右边的堆用来存储声明的变量、对象。下面的队列就是消息队列，一旦某个异步任务有了响应就会被推入队列中。如用户的点击事件、浏览器收到服务的响应和setTimeout中待执行的事件，每一个异步任务都和回调函数相关联。

JS引擎线程用来执行栈中的同步任务，当全部同步任务执行完毕后，栈被清空，而后读取消息队列中的一个待处理任务，并把相关回调函数压入栈中，单线程开始执行新的同步任务。

JS引擎线程从消息队列中读取任务是不断循环的，每次栈被清空后，都会在消息队列中读取新的任务，若是没有新的任务，就会等待，直到有新的任务，这就叫事件循环。

上图以AJAX异步请求为例，发起异步任务后，由AJAX线程执行耗时的异步操做，而JS引擎线程继续执行堆中的其余同步任务，直到堆中的全部异步任务执行完毕。而后，从消息队列中依次按照顺序取出消息做为一个同步任务在JS引擎线程中执行，那么AJAX的回调函数就会在某一时刻被调用执行。

4、示例

引用一篇文章中提到的考察JavaScript异步机制的面试题来具体介绍。

执行下面这段代码，执行后，在 5s 内点击两下，过一段时间（>5s）后，再点击两下，整个过程的输出结果是什么？

setTimeout(function(){
    for(var i = 0; i < 100000000; i++){}
    console.log('timer a');
}, 0)

for(var j = 0; j < 5; j++){
    console.log(j);
}

setTimeout(function(){
    console.log('timer b');
}, 0)

function waitFiveSeconds(){
    var now = (new Date()).getTime();
    while(((new Date()).getTime() - now) < 5000){}
    console.log('finished waiting');
}

document.addEventListener('click', function(){
    console.log('click');
})

console.log('click begin');
waitFiveSeconds();
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要想了解上述代码的输出结果，首先介绍下定时器。

setTimeout的做用是在间隔必定的时间后，将回调函数插入消息队列中，等栈中的同步任务都执行完毕后，再执行。由于栈中的同步任务也会耗时，因此间隔的时间通常会大于等于指定的时间。

setTimeout(fn, 0)的意思是，将回调函数fn马上插入消息队列，等待执行，而不是当即执行。看一个例子：

setTimeout(function() {
    console.log("a")
}, 0)

for(let i=0; i<10000; i++) {}
console.log("b")
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b  a
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打印结果代表回调函数并无马上执行，而是等待栈中的任务执行完毕后才执行的。栈中的任务执行多久，它就得等多久。

理解了定时器的做用，那么对于输出结果就容易得出了。

首先，先执行同步任务。其中waitFiveSeconds是耗时操做，持续执行长达5s。

0
1
2
3
4
click begin
finished waiting
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而后，在JS引擎线程执行的时候，'timer a'对应的定时器产生的回调、 'timer b'对应的定时器产生的回调和两次 click 对应的回调被前后放入消息队列。因为JS引擎线程空闲后，会先查看是否有事件可执行，接着再处理其余异步任务。所以会产生 下面的输出顺序。

click
click
timer a
timer b
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最后，5s 后的两次 click 事件被放入消息队列，因为此时JS引擎线程空闲，便被当即执行了。

click
click
复制代码

参考文章

JavaScript：完全理解同步、异步和事件循环(Event Loop)
从setTimeout说事件循环模型
JavaScript单线程和异步机制
JavaScript的单线程机制
JavaScript单线程异步的背后——事件循环机制
JavaScript 运行机制详解：再谈Event Loop