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事件循环(Event Loop)

单线程模型

单线程模型指的是:JavaScript 只在一个线程上运行。也就是说,JavaScript 同时只能执行一个任务,其他任务都必须在后面排队等待。

注意,JavaScript 只在一个线程上运行,不代表 JavaScript 引擎只有一个线程。事实上,JavaScript 引擎有多个线程,单个脚本只能在一个线程上运行(称为主线程),其他线程都是在后台配合。

JavaScript 之所以采用单线程,而不是多线程,跟历史有关系。JavaScript 从诞生起就是单线程,原因是不想让浏览器变得太复杂,因为多线程需要共享资源、且有可能修改彼此的运行结果,对于一种网页脚本语言来说,这就太复杂了。如果 JavaScript 同时有两个线程,一个线程在网页 DOM 节点上添加内容,另一个线程删除了这个节点,这时浏览器应该以哪个线程为准?是不是还要有锁机制?所以,为了避免复杂性,JavaScript 一开始就是单线程,这已经成了这门语言的核心特征,将来也不会改变。这种模式的优缺点:

  • 好处是:实现起来比较简单,执行环境相对单纯;

  • 坏处是:只要有一个任务耗时很长,后面的任务都必须排队等着,会拖延整个程序的执行。

常见的浏览器无响应(假死),往往就是因为某一段 JavaScript 代码长时间运行(比如死循环),导致整个页面卡在这个地方,其他任务无法执行。JavaScript 语言本身并不慢,慢的是读写外部数据,比如等待 Ajax 请求返回结果。这个时候,如果对方服务器迟迟没有响应,或者网络不通畅,就会导致脚本的长时间停滞。

如果排队是因为计算量大,CPU 忙不过来,倒也算了,但是很多时候 CPU 是闲着的,因为 IO 操作(输入输出)很慢(比如 Ajax 操作从网络读取数据),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 CPU 完全可以不管 IO 操作,挂起处于等待中的任务,先运行排在后面的任务。等到 IO 操作返回了结果,再回过头,把挂起的任务继续执行下去。这种机制就是 JavaScript 内部采用的“事件循环”机制(Event Loop)。

单线程模型虽然对 JavaScript 构成了很大的限制,但也因此使它具备了其他语言不具备的优势。如果用得好,JavaScript 程序是不会出现堵塞的,这就是为什么 Node 可以用很少的资源,应付大流量访问的原因。

为了利用多核 CPU 的计算能力,HTML5 提出 Web Worker 标准,允许 JavaScript 脚本创建多个线程,但是子线程完全受主线程控制,且不得操作 DOM。所以,这个新标准并没有改变 JavaScript 单线程的本质。

浏览器多线程

浏览器是多进程的,浏览器每一个 tab 标签都代表一个独立的进程,其中浏览器渲染进程(浏览器内核)属于浏览器多进程中的一种,主要负责页面渲染脚本执行事件处理等。 其包含的线程有:GUI 渲染线程(负责渲染页面,解析 HTML,CSS 构成 DOM 树)、JS 引擎线程事件触发线程定时器触发线程http 请求线程等主要线程。

JS是单线程语言,浏览器只分配给JS一个主线程,用来执行任务(函数),但一次只能执行一个任务,这些任务形成一个任务队列排队等候执行,但前端的某些任务是非常耗时的,比如网络请求,定时器和事件监听,如果让他们和别的任务一样,都老老实实的排队等待执行的话,执行效率会非常的低,甚至导致页面的假死。

浏览器为这些耗时任务开辟了另外的线程,主要包括http请求线程浏览器定时触发器浏览器事件触发线程,这些任务是异步的。

同步和异步

程序里面所有的任务,可以分成两类:同步任务(synchronous)和异步任务(asynchronous)。

  • 同步任务:那些没有被引擎挂起、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:那些被引擎放在一边,不进入主线程、而进入任务队列的任务。只有引擎认为某个异步任务可以执行了(比如 Ajax 操作从服务器得到了结果),该任务(采用回调函数的形式)才会进入主线程执行。排在异步任务后面的代码,不用等待异步任务结束会马上运行,也就是说,异步任务不具有“堵塞”效应。

举例来说,Ajax 操作可以当作同步任务处理,也可以当作异步任务处理,由开发者决定。如果是同步任务,主线程就等着 Ajax 操作返回结果,再往下执行;如果是异步任务,主线程在发出 Ajax 请求以后,就直接往下执行,等到 Ajax 操作有了结果,主线程再执行对应的回调函数。

任务队列和事件循环

JavaScript 运行时,除了一个正在运行的主线程,引擎还提供一个任务队列(task queue),里面是各种需要当前程序处理的异步任务。(实际上,根据异步任务的类型,存在多个任务队列。为了方便理解,这里假设只存在一个队列。)

首先,主线程会去执行所有的同步任务。等到同步任务全部执行完,就会去看任务队列里面的异步任务。如果满足条件,那么异步任务就重新进入主线程开始执行,这时它就变成同步任务了。等到执行完,下一个异步任务再进入主线程开始执行。一旦任务队列清空,程序就结束执行。

异步任务的写法通常是回调函数。一旦异步任务重新进入主线程,就会执行对应的回调函数。如果一个异步任务没有回调函数,就不会进入任务队列,也就是说,不会重新进入主线程,因为没有用回调函数指定下一步的操作。

主线程:即主线程会不停的从执行栈中读取事件,会执行完所有栈中的同步代码。

任务队列:当遇到一个异步事件后,并不会一直等待异步事件返回结果,而是会将这个事件挂在与执行栈不同的队列中,我们称之为任务队列(Task Queue)。

JavaScript 引擎怎么知道异步任务有没有结果,能不能进入主线程呢?答案就是引擎在不停地检查(观察者模式),一遍又一遍,只要同步任务执行完了,引擎就会去检查那些挂起来的异步任务,是不是可以进入主线程了。这种循环检查的机制,就叫做事件循环(Event Loop)。维基百科的定义是:“事件循环是一个程序结构,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)”。这里还有一个执行栈的概念。

执行栈:当执行某个函数、用户点击一次鼠标,Ajax完成,一个图片加载完成等事件发生时,只要指定过回调函数,这些事件发生时就会进入执行栈队列中,等待主线程读取,遵循先进先出原则。要明确的一点是,主线程跟执行栈是不同概念,主线程规定现在执行执行栈中的哪个事件。

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关于执行栈,主线程,任务队列,其实可以简单的理解为:任务队列是不同的学生,主线程是裁判,执行栈是跑道,主线程判断任务队列里的哪个任务在执行栈执行

如下:

let a = () => {
  setTimeout(() => {
    console.log('任务队列函数1')
  }, 0)
  for (let i = 0; i < 5000; i++) {
    console.log('a的for循环')
  }
  console.log('a事件执行完')
}
let b = () => {
  setTimeout(() => {
    console.log('任务队列函数2')
  }, 0)
  for (let i = 0; i < 5000; i++) {
    console.log('b的for循环')
  }
  console.log('b事件执行完')
}
let c = () => {
  setTimeout(() => {
    console.log('任务队列函数3')
  }, 0)
  for (let i = 0; i < 5000; i++) {
    console.log('c的for循环')
  }
  console.log('c事件执行完')
}
a();
b();
c();
// 当a、b、c函数都执行完成之后,三个setTimeout才会依次执行
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宏任务与微任务

异步任务分为 宏任务(macrotask) 与 微任务 (microtask),不同的API注册的任务会依次进入自身对应的队列中,然后等待 Event Loop 将它们依次压入执行栈中执行。

宏任务(macrotask):当前调用栈中执行的代码称为宏任务。(主代码快,定时器等等)。

script(整体代码)、setTimeout、setInterval、UI 渲染、 I/O、postMessage、 MessageChannel、setImmediate(Node.js 环境)

微任务(microtask):当前(此次事件循环中)宏任务执行完(script整体代码也是宏任务),在下一个宏任务开始之前需要执行的任务,可以理解为回调事件。(promise.thenproness.nextTick等等)。

Promise.thenMutaionObserverprocess.nextTick(Node.js环境)

宏任务中的事件放在callback queue中,由事件触发线程维护;微任务的事件放在微任务队列中,由js引擎线程维护。

注意:先执行微任务,再执行宏任务。

总结事件循环:

  • 所有同步任务都在主线程上执行,形成一个执行栈
  • 主线程之外,还存在一个"任务队列"(task queue)。当遇到异步任务,首先挂起,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。
  • 一旦"执行栈"中的所有同步任务执行完毕,系统就会读取"任务队列"。那些对应的异步任务,先微观任务进入执行栈并开始执行,再宏观任务进入执行栈并开始执行。

看完了事件循环的机制,我们再回头研究一下定时器

定时器运行机制

setTimeoutsetInterval的运行机制,是将指定的代码移出本轮事件循环,等到下一轮事件循环,再检查是否到了指定时间。如果到了,就执行对应的代码;如果不到,就继续等待。

这意味着,setTimeoutsetInterval指定的回调函数,必须等到本轮事件循环的所有同步任务都执行完,才会开始执行。由于前面的任务到底需要多少时间执行完,是不确定的,所以没有办法保证,setTimeoutsetInterval指定的任务,一定会按照预定时间执行。

setTimeout(someTask, 100);
veryLongTask();
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上面代码的setTimeout,指定100毫秒以后运行一个任务。但是,如果后面的veryLongTask函数(同步任务)运行时间非常长,过了100毫秒还无法结束,那么被推迟运行的someTask就只有等着,等到veryLongTask运行结束,才轮到它执行。

再看一个setInterval的例子。

setInterval(function () {
  console.log(2);
}, 1000);

sleep(3000);

function sleep(ms) {
  var start = Date.now();
  while ((Date.now() - start) < ms) {
  }
}
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上面代码中,setInterval要求每隔1000毫秒,就输出一个2。但是,紧接着的sleep语句需要3000毫秒才能完成,那么setInterval就必须推迟到3000毫秒之后才开始生效。注意,生效后setInterval不会产生累积效应,即不会一下子输出三个2,而是只会输出一个2。

所以,其实定时器是不准确的,可以说执行时间一定大于设置的时间。

面试题实践

示例一:

console.log('开始111');
setTimeout(function() {
  console.log('setTimeout111');
});
Promise.resolve().then(function() {
  console.log('promise111');
}).then(function() {
  console.log('promise222');
});
console.log('开始222');
复制代码

我们按照步骤来分析下:

  1. 遇到同步任务,直接先打印 “开始111”。
  2. 遇到异步 setTimeout ,先放到任务队列中等待执行。
  3. 遇到了 Promise 的 then,放到等待队列中。
  4. 遇到了 Promise 的 then,放到等待队列中。
  5. 遇到同步任务,直接打印 “开始222”。
  6. 同步执行完,返回任务队列中的代码,从上往下执行,发现有宏观任务 setTimeout 和微观任务 Promise 的 then,那么先执行微观任务,再执行宏观任务。

所以打印的顺序为: 开始111 、开始222 、 promise111 、 promise222 、 setTimeout111 。

注意:对于promise而言,只有then()才是异步,new Promise() 是同步

示例二:

console.log('开始111');
setTimeout(function () {
  console.log('timeout111');
});
new Promise(resolve => {
  console.log('promise111');
  resolve();
  setTimeout(() => console.log('timeout222'));
}).then(function () {
  console.log('promise222')
})
console.log('开始222');
复制代码

分析一下:

  1. 遇到同步代码,先打印 “开始111” 。
  2. 遇到setTimeout异步,放入队列,等待执行 。
  3. 中途遇到Promise函数,函数直接执行,打印 “promise111”。
  4. 遇到setTimeout ,属于异步,放入队列,等待执行。
  5. 遇到Promise的then等待成功返回,异步,放入队列。
  6. 遇到同步,打印 “开始222”。
  7. 执行完,返回,将异步队列中的代码,按顺序执行。有一个微观任务,then后的,所以打印 “promise222”,再执行两个宏观任务 “timeout111” “timeout222”。

所以,打印的顺序为:开始111 、 promise111 、 开始222 、 promise222 、 timeout111 、 timeout222 .

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