JavaScript 运行机制详解:Event Loop
参考地址:http://www.ruanyifeng.com/blog/2014/10/event-loop.html
一、为什么JavaScript是单线程?
JavaScript语言的一大特点就是单线程,也就是说,同一个时间只能做一件事。那么,为什么JavaScript不能有多个线程呢?这样能提高效率啊。
JavaScript的单线程,与它的用途有关。作为浏览器脚本语言,JavaScript的主要用途是与用户互动,以及操作DOM。这决定了它只能是单线程,否则会带来很复杂的同步问题。比如,假定JavaScript同时有两个线程,一个线程在某个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?
所以,为了避免复杂性,从一诞生,JavaScript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。
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。
二、任务队列
单线程就意味着,所有任务需要排队,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,后一个任务就不得不一直等着。
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设备(输入输出设备)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,这时主线程完全可以不管IO设备,挂起处于等待中的任务,先运行排在后面的任务。等到IO设备返回了结果,再回过头,把挂起的任务继续执行下去。
于是,所有任务可以分成两种,一种是同步任务(synchronous),另一种是异步任务(asynchronous)。
- 同步任务: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:不进入主线程、而进入"任务队列"(task queue)的任务,只有"任务队列"通知主线程,某个异步任务可以执行了,该任务才会进入主线程执行。
具体来说,异步执行的运行机制如下。(同步执行也是如此,因为它可以被视为没有异步任务的异步执行。)
(1)所有同步任务都在主线程上执行,形成一个执行栈(execution context stack)。
(2)主线程之外,还存在一个"任务队列"(task queue)。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。
(3)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",看看里面有哪些事件。那些对应的异步任务,于是结束等待状态,进入执行栈,开始执行。
(4)主线程不断重复上面的第三步。
下图就是主线程和任务队列的示意图。
只要主线程空了,就会去读取"任务队列",这就是JavaScript的运行机制。这个过程会不断重复。
三、事件和回调函数
"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设备的事件以外,还包括一些用户产生的事件(比如鼠标点击、页面滚动等等)。只要指定过回调函数,这些事件发生时就会进入"任务队列",等待主线程读取。
所谓"回调函数"(callback),就是那些会被主线程挂起来的代码。异步任务必须指定回调函数,当主线程开始执行异步任务,就是执行对应的回调函数。
"任务队列"是一个先进先出的数据结构,排在前面的事件,优先被主线程读取。主线程的读取过程基本上是自动的,只要执行栈一清空,"任务队列"上第一位的事件就自动进入主线程。但是,由于存在后文提到的"定时器"功能,主线程首先要检查一下执行时间,某些事件只有到了规定的时间,才能返回主线程。
四、Event Loop
主线程从"任务队列"中读取事件,这个过程是循环不断的,所以整个的这种运行机制又称为Event Loop(事件循环)。
为了更好地理解Event Loop,请看下图(转引自Philip Roberts的演讲《Help, I'm stuck in an event-loop》)。
上图中,主线程运行的时候,产生堆(heap)和栈(stack),栈中的代码调用各种外部API,它们在"任务队列"中加入各种事件(click,load,done)。只要栈中的代码执行完毕,主线程就会去读取"任务队列",依次执行那些事件所对应的回调函数。
执行栈中的代码(同步任务),总是在读取"任务队列"(异步任务)之前执行。请看下面这个例子。
var req = new XMLHttpRequest();
req.open('GET', url);
req.onload = function (){};
req.onerror = function (){};
req.send();
上面代码中的req.send方法是Ajax操作向服务器发送数据,它是一个异步任务,意味着只有当前脚本的所有代码执行完,系统才会去读取"任务队列"。所以,它与下面的写法等价。
var req = new XMLHttpRequest();
req.open('GET', url);
req.send();
req.onload = function (){};
req.onerror = function (){};
也就是说,指定回调函数的部分(onload和onerror),在send()方法的前面或后面无关紧要,因为它们属于执行栈的一部分,系统总是执行完它们,才会去读取"任务队列"。
五、定时器
除了放置异步任务的事件,"任务队列"还可以放置定时事件,即指定某些代码在多少时间之后执行。这叫做"定时器"(timer)功能,也就是定时执行的代码。
定时器功能主要由setTimeout()和setInterval()这两个函数来完成,它们的内部运行机制完全一样,区别在于前者指定的代码是一次性执行,后者则为反复执行。以下主要讨论setTimeout()。
setTimeout()接受两个参数,第一个是回调函数,第二个是推迟执行的毫秒数。
console.log(1);
setTimeout(function(){console.log(2);},1000);
console.log(3);
上面代码的执行结果是1,3,2,因为setTimeout()将第二行推迟到1000毫秒之后执行。
如果将setTimeout()的第二个参数设为0,就表示当前代码执行完(执行栈清空)以后,立即执行(0毫秒间隔)指定的回调函数。
setTimeout(function(){console.log(1);}, 0);
console.log(2);
上面代码的执行结果总是2,1,因为只有在执行完第二行以后,系统才会去执行"任务队列"中的回调函数。
总之,setTimeout(fn,0)的含义是,指定某个任务在主线程最早可得的空闲时间执行,也就是说,尽可能早得执行。它在"任务队列"的尾部添加一个事件,因此要等到同步任务和"任务队列"现有的事件都处理完,才会得到执行。
HTML5标准规定了setTimeout()的第二个参数的最小值(最短间隔),不得低于4毫秒,如果低于这个值,就会自动增加。在此之前,老版本的浏览器都将最短间隔设为10毫秒。另外,对于那些DOM的变动(尤其是涉及页面重新渲染的部分),通常不会立即执行,而是每16毫秒执行一次。这时使用requestAnimationFrame()的效果要好于setTimeout()。
需要注意的是,setTimeout()只是将事件插入了"任务队列",必须等到当前代码(执行栈)执行完,主线程才会去执行它指定的回调函数。要是当前代码耗时很长,有可能要等很久,所以并没有办法保证,回调函数一定会在setTimeout()指定的时间执行。
六、宏任务和微任务
常见的宏任务和微任务:
macro-task(宏任务):
setTimeout
,setInterval
,setImmediate
,I/O
micro-task(微任务):
process.nextTick
, 原生Promise
(有些实现的promise
将then
方法放到了宏任务中),Object.observe
(已废弃),MutationObserver
看下面的例子:
console.log('script start'); setTimeout(function() {
console.log('setTimeout');
}, 0); Promise.resolve().then(function() {
console.log('promise1');
}).then(function() {
console.log('promise2');
}); console.log('script end');
上面代码的执行顺序是什么呢?这是为什么呢?
script start
script end
promise1
promise2
setTimeout
Task是严格按照时间顺序压栈和执行的,所以浏览器能够使得 JavaScript 内部任务与 DOM 任务能够有序的执行。当一个 task 执行结束后,在下一个 task 执行开始前,浏览器可以对页面进行重新渲染。每一个 task 都是需要分配的,例如从用户的点击操作到一个点击事件,渲染HTML文档,同时还有上面例子中的 setTimeout。
基于前面描述的event loop,setTimeout 它会在延迟时间结束后分配一个新的 task 至 event loop 中,而不是立即执行,所以 setTimeout 的回调函数会等待前面的 task 都执行结束后再运行。这就是为什么 setTimeout 会输出在 script end 之后,因为 script end 是第一个 task 的其中一部分,而 setTimeout 则是一个新的 task。
微任务通常来说就是需要在当前 task 执行结束后立即执行的任务,例如需要对一系列的任务做出回应,或者是需要异步的执行任务而又不需要分配一个新的 task,这样便可以减小一点性能的开销。
微任务任务队列是一个与 task 任务队列相互独立的队列,微任务将会在每一个 task 任务执行结束之后执行。每一个 task 中产生的 微任务 都将会添加到 微任务 队列中,微任务 中产生的 微任务 将会添加至当前队列的尾部,并且 微任务 会按序的处理完队列中的所有任务。
每当一个 Promise 被决议(或是被拒绝),便会将其回调函数添加至 微任务队列中作为一个新的 微任务。这也保证了 Promise 可以异步的执行。所以当我们调用 .then(resolve, reject)的时候,会立即生成一个新的 微任务添加至队列中,这就是为什么上面的 promise1 和 promise2 会输出在 script end 之后,因为 微任务队列中的任务必须等待当前 task 执行结束后再执行,而 promise1 和 promise2 输出在 setTimeout 之前,这是因为 setTimeout 是一个新的 task,而 微任务执行在当前 task 结束之后,下一个 task 开始之前。
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