定时器，Immediates 和 Process.nextTick —— Node 事件循环 Part 2

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译者：焉逢

原文链接

欢迎回到⎣事件循环⎤文章系列！在第一篇文章中，我整体介绍了 Node 的事件循环。在这篇文章中，我准备用一些代码片段作为例子，来详细探讨我们前文提及的三个重要的事件队列 —— 定时器队列、immediates 队列以及 nextTick 队列。

本系列文章指引

  • 事件循环总体概览

  • 定时器， Immediates 和 Process.nextTick (本文)

  • Resolved Promises 和 Process.nextTick — 未完成

  • I/O 的处理 — 未完成

  • 处理事件循环的最佳实践 — 未完成

  • 编写异步组件(async Add-ons) — 未完成

nextTick 队列

先让我们再次看看前文出现过的图示。

图中，nextTick 队列被区分开来，因为它是由 Node 实现而非 libuv 原生提供。

对于事件循环的每个阶段（定时器队列，I/O 事件队列，immediates 队列，close 处理队列是 4 个主要阶段），事件循环在移动到某一阶段之前，Node 会检查 nextTick 队列中是否有可处理的事件。如果有，在前往下一个主要阶段之前，事件循环会先直接处理这个队列直至它为空（当然还有其他 microtask 队列）。

这带来了一个新的问题。递归、无限的调用 process.nextTick 往 nextTick 队列添加事件将导致 I/O 和其他队列永远处于饥饿(starve)状态。我们可以用下面的代码模拟这种情况。

const fs = require('fs');

function addNextTickRecurs(count) {
    let self = this;
    if (self.id === undefined) {
        self.id = 0;
    }

    if (self.id === count) return;

    process.nextTick(() => {
        console.log(`process.nextTick call ${++self.id}`);
        addNextTickRecurs.call(self, count);
    });
}

addNextTickRecurs(Infinity);
setTimeout(console.log.bind(console, 'omg! setTimeout was called'), 10);
setImmediate(console.log.bind(console, 'omg! setImmediate also was called'));
fs.readFile(__filename, () => {
    console.log('omg! file read complete callback was called!');
});

console.log('started');

你可以看到输出是一个无限循环的 nextTick 回调调用，而 setTimeout、setImmediate 和 fs.readFile 回调从未被调用，因为任何 ""omg!..."" 都没有打印到控制台中。

started
process.nextTick call 1
process.nextTick call 2
process.nextTick call 3
process.nextTick call 4
process.nextTick call 5
process.nextTick call 6
process.nextTick call 7
process.nextTick call 8
process.nextTick call 9
process.nextTick call 10
process.nextTick call 11
process.nextTick call 12
....

你可以尝试设置一个有限的值作为 addNextTickRecurs 调用的参数，你将看到 setTimeout、setImmediate 和 fs.readFile 回调会在一系列 process.nextTick 回调后面被调用。

在 Node v0.12 之前，有一个参数 process.maxTickDepth 可以设置 nextTick 队列的上限。可以由开发者手动设置，以便 Node 处理不超过上限的 nextTick 队列。但由于某些原因，这个特性已经自 v0.12 起被删除了。因此，对于较新版本的 Node，重复地往 nextTick 队列中添加事件仅仅是不被鼓励的做法。

定时器队列

每当你使用 setTimeout 或 setInterval 添加定时器回调时，Node 将添加定时器到定时器堆(timer heap)中，这是一个由 libuv 访问的数据结构。在事件循环的定时器阶段，Node 会检查定时器堆中已过期的 timer/interval ，并调用它们各自的回调。如果有多个已过期的定时器（比如设置了相同的过期时间），那它们会按照它们被设置的顺序执行。

当一个 timer/interval 设置了明确的到期时间时，并不能确保在到期后能准时地执行回调。定时器回调的调用，依赖于系统的性能（Node 在执行回调前需要检查时间，显然这需要一些 CPU 时间）以及当前事件循环中的执行情况。事实上，到期时间确保的是，定时器回调至少在该时间之前，不会被调用。我们可以模拟一下：

const start = process.hrtime();

setTimeout(() => {
    const end = process.hrtime(start);
    console.log(`timeout callback executed after ${end[0]}s and ${end[1]/Math.pow(10,9)}ms`);
}, 1000);

上面的代码设置了一个过期时间为 1000ms 的定时器，它会打印出执行回调时消耗的时间。如果你运行该代码多次，你会注意到它每次的结果都不尽相同，并且永远不会出现 timeout callback executed after 1s and 0ms 这样的结果。你看到的结果类似这样：

timeout callback executed after 1s and 0.006058353ms
timeout callback executed after 1s and 0.004489878ms
timeout callback executed after 1s and 0.004307132ms
...

当 setTimeout 和 setImmediate 一起使用时，定时器的这种特性可能会导致意外和不可预测的结果，接下来你就会看到了。

Immediates 队列

尽管在行为上，immediates 队列和定时器队列有点相似，但它也有自己的一些独特特性。不像定时器，即使过期时间为0，我们也不能确保它的回调何时会执行，但 immediates 队列被确保会在事件循环的 I/O 阶段之后被立即执行。可以通过 setImmediate 向此队列添加一个事件（回调）：

setImmediate(() => {
   console.log('Hi, this is an immediate');
});

setTimeout vs setImmediate ?

现在，我们回过头来看看文章开头的那个图示，可以看到当事件循环开始执行的时候，Node 首先会处理定时器队列。接着，在处理完 I/O 之后，会来到 immediates 队列。通过图示，我们很容易推断出以下代码的输出结果。

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

你可能会猜，以上代码永远会在 setImmediate 之前打印 setTimeout，因为定时器队列的处理优先于 immediates 队列。然而事实是，以上代码的运行结果是永远不确定的！如果你试着运行多次，你会得到不一样的输出结果。

这是因为设定一个 0 秒过期的定时器，永远不能保证在 0 秒后回调会被准时调用。正因如此，当事件循环启动时，它可能还没有看到已过期的定时器。这时候事件循环将前往 I/O 阶段，接着来到 immediates 队列，发现这队列中有一个待处理的事件，于是执行它。

但对于下面这段代码，我们可以确保 immediate 回调永远会比定时器回调先执行。

const fs = require('fs');

fs.readFile(__filename, () => {
    setTimeout(() => {
        console.log('timeout')
    }, 0);
    setImmediate(() => {
        console.log('immediate')
    })
});

我们来看看它的执行流程。

  • 一开始，程序通过 fs.readFile 异步读取当前文件，并提供了一个回调

  • 事件循环启动

  • 一旦文件读取完成，一个事件（待执行的回调）会被添加进事件循环的 I/O 队列中

  • 由于没有其他待执行的事件，Node 开始等待后续的 I/O 事件。当它看到文件读取完成的事件时，执行它

  • 在这个回调的执行过程中，一个定时器被添加到定时器堆中，一个 immediate 事件被添加到 immediates 队列中

  • 我们知道当前事件循环处于 I/O 阶段，并且此时没有其他 I/O 事件可处理，事件循环于是来到 immediates 阶段，它发现了在执行文件读取回调的过程中被添加的 immediate 回调，于是便直接执行它

  • 在事件循环的下一轮中，它发现了已过期的定时器，于是执行相应的回调

总结

让我们一起看看这些不同的阶段、队列，在整个事件循环中是如何工作的。以下是代码示例。

setImmediate(() => console.log('this is set immediate 1'));
setImmediate(() => console.log('this is set immediate 2'));
setImmediate(() => console.log('this is set immediate 3'));

setTimeout(() => console.log('this is set timeout 1'), 0);
setTimeout(() => {
    console.log('this is set timeout 2');
    process.nextTick(() => console.log('this is process.nextTick added inside setTimeout'));
}, 0);
setTimeout(() => console.log('this is set timeout 3'), 0);
setTimeout(() => console.log('this is set timeout 4'), 0);
setTimeout(() => console.log('this is set timeout 5'), 0);

process.nextTick(() => console.log('this is process.nextTick 1'));
process.nextTick(() => {
    process.nextTick(console.log.bind(console, 'this is the inner next tick inside next tick'));
});
process.nextTick(() => console.log('this is process.nextTick 2'));
process.nextTick(() => console.log('this is process.nextTick 3'));
process.nextTick(() => console.log('this is process.nextTick 4'));

以上代码执行完之后，以下这些事件会被添加到相应的事件队列中。

  • 3 个 immediate 事件
  • 5 个定时器事件
  • 5 个 nextTick 事件

我们看看执行流程：

  1. 事件循环启动时，它注意到 nextTick 队列非空，于是开始处理这个队列。在执行第二个 nextTick 回调的过程中，一个新的 nextTick 被添加到该队列的末尾，它将在当前 nextTick 队列结束后执行

  2. 开始执行定时器回调。在执行第二个定时器回调的过程中，一个事件被添加至 nextTick 队列

  3. 一旦定时器队列处理完，事件循环看到 nextTick 队列中有一个事件（在执行第二个定时器回调的过程中被添加的），于是处理 nextTick 队列

  4. 由于没有任何 I/O 事件可处理，事件循环来到了 immediates 阶段，并处理相应队列

很好，如果你运行以上代码，你将看到下面的输出结果：

this is process.nextTick 1
this is process.nextTick 2
this is process.nextTick 3
this is process.nextTick 4
this is the inner next tick inside next tick
this is set timeout 1
this is set timeout 2
this is set timeout 3
this is set timeout 4
this is set timeout 5
this is process.nextTick added inside setTimeout
this is set immediate 1
this is set immediate 2
this is set immediate 3

下篇文章我们将讨论更多关于 nextTick 回调和 promise 的内容。如果你发现了有什么需要更正或添加的内容，请随时回复。

参考链接:

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