单线程JavaScript

最近在阅读《你不知道的JavaScript中卷》，当我看到第二部分介绍异步和回调函数的一些知识时，由于该书在第二部分1、2章对线程、事件循环的概念介绍的并非详细，因此引发了我的一系列思考。于是写下这篇小文章，记录自己对该知识点的学习和思考。

什么是线程

由于JavaScript是单线程语言，因此，在一个进程上，只能运行一个线程，而不能多个线程同时运行。也就是说JavaScript不允许多个线程共享内存空间。因此，如果有多个线程想同时运行，则需采取排队的方式，即只有当前一个线程执行完毕，后一个线程才开始执行。JavaScript中的线程包括函数调用、I/O设备（如向服务器发送请求获取响应等）、定时器、用户操作的事件（click、keyup、scroll等）。

由于每个线程需要排队执行，因此涉及堆（Heap）、栈（Stack）、队列（Queue）的概念。

Heap、Stack、Queue

在MDN上的一篇文章《并发模型与Event Loop》，介绍了关于这三个概念

堆（Heap）：对象被分配在一个堆中，一个用以表示一个内存中未被组织的区域。我们知道，函数是第一等对象，同时函数是“可调用的对象”。因此，当函数在被调用之前，JavaScript引擎会对函数进行编译（词法分析、语法分析、代码生成）的工作。当完成编译时会将函数（这里不限于函数，JavaScript所有皆为对象，除了undefined、null）放入堆中，分配内存空间，等待执行或调用。

栈（Stack）：当函数调用时，会形成一个“执行栈”。我们看一个简单的例子。

function bar(b) {
    return b * 2;
}
function foo(a) {
    return bar(a * 3);
}
console.log(foo(1));    //6

当JavaScript引擎在编译阶段，会将foo、bar置于堆中，分配内存空间。当调用foo()时，引擎创建了一个执行栈，包含了foo函数的参数和局部变量。当在foo的词法作用域中调用bar时，会将bar函数推入执行栈，并置于foo函数之上，同时包含bar函数的参数和局部变量。当bar返回时（此例中bar函数调用并返回结果是瞬间完成的），bar函数出栈。当foo函数返回结果时，整个执行栈就空了。此时，如果任务队列中存在异步任务，则主线程会读取任务队列中的任务。待会介绍任务队列。

如果对词法作用域不熟悉的朋友，可以参考如下：闭包与词法作用域

任务队列

单线程就意味着，所有任务（线程）需要排队，前一个任务结束，才会执行后一个任务。如果前一个任务耗时很长，后一个任务不得不一直等待。

因此，所有任务可以分为两种，一种是同步任务，一种是异步任务。同步任务指的是，在主线程上排队执行的任务，只有前一个任务执行完毕，后一个任务才会执行；异步任务指的是不进入主线程、而进入任务队列的任务，只有当主线程上的所有同步任务执行完毕之后，主线程才会读取任务队列，开始执行异步任务。

任务队列是一个事件的队列（也可以理解成消息的队列），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可以进入"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（ajax获取服务器数据）的事件以外，还包括一些用户产生的事件（mousehover、click、scroll、keyup等）和定时器等。只要在事件中指定了回调函数，这些事件发生时就会进入“任务队列”，等待主线程读取。而主线程读取任务队列中的异步任务，主要就是读取回调函数。

当主线程的所有同步任务执行（排队执行）完毕之后，就会读取任务队列中的异步任务，将异步任务推入执行栈中执行。任务队列是一个先进先出的数据结构，即排在前面的事件，优先被主线程读取。如果存在定时器，时间越短的越先进入执行栈。

因此，可以做一个简单的总结：

JS将任务分为两种，同步任务和异步任务。
当主线程开始执行同步任务时，会创建一个“执行栈”，每一个同步任务排队执行，只有前一个任务执行完毕，才会执行下一个任务。同时，执行栈与函数的调用位置相关。
当主线程上的所有同步任务执行完毕之后，也就是当“执行栈”为空时，主线程会去读取任务队列上的异步任务（回调函数），并将异步任务推入执行栈中开始执行。
主线程不断重复第二、第三个步骤。

setTimeout

明白了主线程执行相关任务的思路后，来看看定时器。上面介绍到，定时器是属于任务队列中的异步任务。因此会等待“执行栈”上的所有同步任务执行完毕之后，主线程计算定时器的执行时间，再将事件推入“执行栈”。看一个简单的例子。

function foo() {
    setTimeout(function() {
        console.log(1);
    }, 0)
    console.log(2);
}
function bar() {
    setTimeout(function() {
        console.log(3);
    }, 0);
    console.log(4);
}
foo();
bar();

这段函数的输出结果为2, 4, 1, 3。做一个简单的分析。

foo、bar函数的内部有相同的结构，都有一个定时器和console.log()函数。当foo、bar函数调用时，会形成一个“执行栈”，主线程会先执行“执行栈”中的同步任务，即console.log(2), console.log(4)，而两个定时器会被推入任务队列中，等待执行。当主线程上的同步任务执行完毕之后，结束定时器的等待，将任务队列中的两个异步任务推入“执行栈”中执行，因此输出的顺序为2, 4, 1, 3。

定时器的第一个参数是一个函数，第二个参数是推迟执行的毫秒数。从函数的定义上看，如果将时间设定为0，此时应该是立即执行定时器才对，为什么输出顺序会不同呢？

需要注意的是，setTimeout()只是将回调函数插入到“任务队列”中，因此必须等到主线程上的同步任务全部执行完毕，主线程才会执行任务队列中的异步任务。setTimeout的第二个参数只能确保任务在指定的时间之后执行，而不能保证一定就在该时间之后立即执行，是否能够立即执行，取决于“执行栈”中的任务数量。

看一段代码。

function foo() {
    setTimeout(function() {
        console.log(1);
    }, 2000)
    console.log(2);
}

function bar() {
    setTimeout(function() {
        console.log(3);
    }, 1000);
    console.log(4);
}

function baz() {
    setTimeout(function() {
        console.log(5);
    }, 0)
    console.log(6);
}
foo();
bar();
baz();
//结果： 2, 4, 6, 5, 3, 1;

主线程上的同步任务按照执行栈排队执行，任务队列上的定时器按照时间长短排队执行。时间越短，越早进入“执行栈”，越早被主线程执行。也就是说，先进入任务队列的任务先执行。

如果换一种函数的调用位置
baz();
foo();
bar();
//此时的结果： 6, 2, 4, 5, 3, 1

从上面的两种运行结果可以看出，

同步任务取决于函数的调用位置，不同的调用位置，进入执行栈的位置就不同，主线程执行的顺序就不同

异步任务的执行与函数的调用位置无关，只取决于执行栈的任务数量，当同步任务执行完毕之后，才会开始执行异步任务，并且遵循先进入任务队列的事件先执行的原则。