JS 事件循环 Node 篇

夏安君
532 阅读8分钟

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JS 事件循环 Node 篇

之前介绍过JS 事件循环 浏览器篇，本文将详细介绍 Node 中的事件循环。

Node 中的事件循环比起浏览器中的 JavaScript 还是有一些区别的，各个浏览器在底层的实现上可能有些细微的出入；而 Node 只有一种实现，相对起来就少了一些理解上的麻烦。

首先要明确的是，事件循环同样运行在单线程环境下，JavaScript 的事件循环是依靠浏览器实现的，而Node 作为另一种运行时，事件循环由底层的 libuv 实现。

根据 Node.js 官方介绍，每次事件循环都包含了6个阶段，如下图所示

image-20220404145555012

注意：每个框被称为事件循环机制的一个阶段。

每个阶段都有一个 FIFO 队列来执行回调。虽然每个阶段都是特殊的，但通常情况下，当事件循环进入给定的阶段时，它将执行特定于该阶段的任何操作，然后执行该阶段队列中的回调，直到队列用尽或最大回调数已执行。当该队列已用尽或达到回调限制，事件循环将移动到下一阶段，等等。

阶段概述

  • timers 阶段：这个阶段执行timer（setTimeout、setInterval）的回调
  • I/O callbacks 阶段：执行一些系统调用错误，比如网络通信的错误回调
  • idle, prepare 阶段：仅node内部使用
  • poll 阶段：获取新的I/O事件, 适当的条件下node将阻塞在这里
  • check 阶段：执行 setImmediate() 的回调
  • close callbacks 阶段：执行一些关闭的回调函数，如：socket.on('close', ...)

阶段的详细概述

timers 阶段

timers 是事件循环的第一个阶段，Node 会去检查有无已过期的 timer，如果有则把它的回调压入 timer的任务队列中等待执行，事实上，Node 并不能保证 timer 在预设时间到了就会立即执行，因为 Node 对timer的过期检查不一定靠谱，它会受机器上其它运行程序影响，或者那个时间点主线程不空闲。比如下面的代码，setTimeout() 和 setImmediate() 的执行顺序是不确定的。

setTimeout(() => {
  console.log('timeout')
}, 0)

setImmediate(() => {
  console.log('immediate')
})

但是把它们放到一个I/O回调里面，就一定是 setImmediate() 先执行，因为poll阶段后面就是check阶段。

I/O callbacks 阶段

官方文档对这个阶段的描述为除了timers、setImmediate，以及 close 操作之外的大多数的回调方法都位于这个阶段执行。事实上从源码来看，该阶段只是用来执行pending callback，例如一个TCP socket执行出现了错误，在一些*nix系统下可能希望稍后再处理这里的错误，那么这个回调就会放在IO callback阶段来执行。

一些常见的回调，例如 fs.readFile 的回调是放在 poll 阶段来执行的。

poll 阶段

poll 阶段主要有2个功能：

  • 处理 poll 队列的事件
  • 当有已超时的 timer，执行它的回调函数

even loop 将同步执行 poll 队列里的回调，直到队列为空或执行的回调达到系统上限（上限具体多少未详），接下来even loop会去检查有无预设的setImmediate()，分两种情况：

  1. 若有预设的setImmediate(), event loop将结束poll阶段进入check阶段，并执行check阶段的任务队列
  2. 若没有预设的setImmediate()，event loop将阻塞在该阶段等待，等待新的事件出现，这也是该阶段为什么会被命名为 poll（轮询） 的原因。

注意一个细节，没有setImmediate()会导致event loop阻塞在poll阶段，这样之前设置的timer岂不是执行不了了？所以咧，在poll阶段event loop会有一个检查机制，检查timer队列是否为空，如果timer队列非空，event loop就开始下一轮事件循环，即重新进入到timers阶段。

check 阶段

setImmediate是一个特殊的定时器方法，它占据了事件循环的一个阶段，整个check 阶段就是为setImmediate方法而设置的。

setImmediate()的回调会被加入check队列中， 从event loop的阶段图可以知道，check阶段的执行顺序在poll阶段之后。

close callbacks 阶段

如果一个 socket 或者一个句柄被关闭，那么就会产生一个close事件，该事件会被加入到对应的队列中。clos阶段执行完毕后，本轮事件循环结束，循环进入到下一轮。

小结

看完了上面的描述，我们明白了 Node 中的event loop 是分阶段处理的，对于每一阶段来说，处理事件队列中的事件就是执行对应的回调方法，每一阶段的event loop 都对应着不同的队列。当 event loop 到达某个阶段时，将执行该阶段的任务队列，直到队列清空或执行的回调达到系统上限后，才会转入下一个阶段。当所有阶段被顺序执行一次后，称 event loop 完成了一个 tick。

Node.js 与浏览器的 Event Loop 差异

浏览器环境下，microtask的任务队列是每个macrotask执行完之后执行。

浏览器端

而在Node.js中，microtask会在事件循环的各个阶段之间执行，也就是一个阶段执行完毕，就会去执行microtask队列的任务。Node.js端

setImmediate 对比 setTimeout

setImmediate() 和 setTimeout() 很类似，但是基于被调用的时机，他们也有不同表现。

  • setImmediate() 设计为一旦在当前 poll 阶段 阶段完成，就执行脚本。
  • setTimeout() 在最小阈值（ms 单位）过后运行脚本。

执行计时器的顺序将根据调用它们的上下文而异。如果二者都从主模块内调用，则计时器将受进程性能的约束（这可能会受到计算机 上其他正在运行应用程序的影响）。

例如，如果运行以下不在 I/O 周期（即主模块）内的脚本，则执行两个计时器的顺序是非确定性的，因为它受进程性能的约束：

// timeout_vs_immediate.js
setTimeout(() => {
  console.log('timeout');
}, 0);

setImmediate(() => {
  console.log('immediate');
});

// timeout
// immediate

// or

// immediate
// timeout

但是，如果你把这两个函数放入一个 I/O 循环内调用，setImmediate 总是被优先调用：

// timeout_vs_immediate.js
const fs = require('fs');

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

// immediate
// timeout

使用 setImmediate() 相对于setTimeout() 的主要优势是，如果setImmediate()是在 I/O 周期内被调度的，那它将会在其中任何的定时器之前执行，跟这里存在多少个定时器无关。

process.nextTick

process.nextTick 的意思就是定义出一个异步动作，并且让这个动作在事件循环当前阶段结束后执行。

例如下面的代码，将打印first的操作放在nextTick的回调中执行，最后先打印出next，再打印first。

process.nextTick(function() {
  console.log('first');
});
console.log('next');

// next
// first

process.nextTick其实并不是事件循环的一部分，但它的回调方法也是由事件循环调用的，该方法定义的回调方法会被加入到名为nextTickQueue的队列中。在事件循环的任何阶段，如果nextTickQueue不为空，都会在当前阶段操作结束后优先执行nextTickQueue中的回调函数，当nextTickQueue中的回调方法被执行完毕后，事件循环才会继续向下执行。

Node 限制了nextTickQueue的大小，如果递归调用了process..nextTick，那么当nextTickQueue达到最大限制后会抛出一个错误，我们可以写一段代码来证实这一点。

function recurse(i) {
  while(i < 9999) {
    process.nextTick(recurse(i++));
  }
}
recurse(0);

运行上面代码会报错：

RangeError: Maximum call stack size exceeded

既然nextTickQueue也是一个队列，那么先被加入队列的回调会先执行，我们可以定义多个process.nextTick，然后观察他们的执行顺序：

process.nextTick(function () {
  console.log('first');
});
process.nextTick(function() {
  console.log('second');
});
console.log('next');
// next
// first
// second

和其他回调函数一样，nextTick定义的回调也是由事件循环执行的，如果nextTick的回调方法中出现了阻塞操作，后面的要执行的回调同样会被阻塞。

process.nextTick(function () {
  console.log('first');
  // 由于死循环的存在，之后的事件被阻塞
  while(true) { }
});
process.nextTick(function() {
  console.log('second');
});
console.log('next');
// 依次打印 next first，不会打印 second

nextTick VS setlmmediate

setImmediate方法不属于ECMAScript标准，而是Node提出的新方法，它同样将一个回调函数加入到事件队列中，不同于setTimeout和setInterval，setlmmediate并不接受一个时间作为参数，setlmmediate的事件会在当前事件循环的结尾触发，对应的回调方法会在当前事件循环末尾check 阶段执行。

setImmediate方法和process.nextTick方法很相似，二者经常被拿来放在一起比较，从语义角度看，setImmediate() 应该比 process.nextTick() 先执行才对，而事实相反，由于process.nextTick会在当前操作完成后立刻执行，因此总会在setImmediate之前执行。

此外，当有递归的异步操作时只能使用setlmmediate，不能使用process.nextTick,前面已经展示过了递归调用nextTick会出现的错误，下面使用setlmmediate来试试看：

function recurse(i, end) {
  if (i < end) {
    console.log('Done');
  } else {
    console.log(i);
    setImmediate(recurse, i + 1, end);
  }
}
recurse(0, 9999999);

完全没问题！这是因为setImmediate不会生成call stack。

总结

  1. Node.js 的事件循环分为6个阶段
  2. 浏览器和Node 环境下，microtask任务队列的执行时机不同
    • Node.js中，microtask 在事件循环的各个阶段之间执行
    • 浏览器端，microtask 在事件循环的 macrotask 执行完之后执行
  3. 递归的调用process.nextTick()会导致I/O starving，官方推荐使用setImmediate()
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