這一次，徹底弄懂 JavaScript 執行機制

ssssyoki發表於1970-01-01
JavaScript

本文的目的就是要保證你徹底弄懂javascript的執行機制，如果讀完本文還不懂，可以揍我。

不論你是javascript新手還是老鳥，不論是面試求職，還是日常開發工作，我們經常會遇到這樣的情況：給定的幾行程式碼，我們需要知道其輸出內容和順序。因為javascript是一門單執行緒語言，所以我們可以得出結論：

  • javascript是按照語句出現的順序執行的

看到這裡讀者要打人了：我難道不知道js是一行一行執行的？還用你說？稍安勿躁，正因為js是一行一行執行的，所以我們以為js都是這樣的：

let a = '1';
console.log(a);

let b = '2';
console.log(b);複製程式碼

然而實際上js是這樣的：

setTimeout(function(){
    console.log('定時器開始啦')
});

new Promise(function(resolve){
    console.log('馬上執行for迴圈啦');
    for(var i = 0; i < 10000; i++){
        i == 99 && resolve();
    }
}).then(function(){
    console.log('執行then函式啦')
});

console.log('程式碼執行結束');複製程式碼

依照js是按照語句出現的順序執行這個理念，我自信的寫下輸出結果：

//"定時器開始啦"
//"馬上執行for迴圈啦"
//"執行then函式啦"
//"程式碼執行結束"複製程式碼

去chrome上驗證下，結果完全不對，瞬間懵了，說好的一行一行執行的呢？

我們真的要徹底弄明白javascript的執行機制了。

1.關於javascript

javascript是一門單執行緒語言，在最新的HTML5中提出了Web-Worker，但javascript是單執行緒這一核心仍未改變。所以一切javascript版的"多執行緒"都是用單執行緒模擬出來的，一切javascript多執行緒都是紙老虎！

2.javascript事件迴圈

既然js是單執行緒，那就像只有一個視窗的銀行，客戶需要排隊一個一個辦理業務，同理js任務也要一個一個順序執行。如果一個任務耗時過長，那麼後一個任務也必須等著。那麼問題來了，假如我們想瀏覽新聞，但是新聞包含的超清圖片載入很慢，難道我們的網頁要一直卡著直到圖片完全顯示出來？因此聰明的程式設計師將任務分為兩類：

  • 同步任務
  • 非同步任務

當我們開啟網站時，網頁的渲染過程就是一大堆同步任務，比如頁面骨架和頁面元素的渲染。而像載入圖片音樂之類佔用資源大耗時久的任務，就是非同步任務。關於這部分有嚴格的文字定義，但本文的目的是用最小的學習成本徹底弄懂執行機制，所以我們用導圖來說明：

導圖要表達的內容用文字來表述的話：

  • 同步和非同步任務分別進入不同的執行"場所"，同步的進入主執行緒，非同步的進入Event Table並註冊函式。
  • 當指定的事情完成時，Event Table會將這個函式移入Event Queue。
  • 主執行緒內的任務執行完畢為空，會去Event Queue讀取對應的函式，進入主執行緒執行。
  • 上述過程會不斷重複，也就是常說的Event Loop(事件迴圈)。

我們不禁要問了，那怎麼知道主執行緒執行棧為空啊？js引擎存在monitoring process程式，會持續不斷的檢查主執行緒執行棧是否為空，一旦為空，就會去Event Queue那裡檢查是否有等待被呼叫的函式。

說了這麼多文字，不如直接一段程式碼更直白：

let data = [];
$.ajax({
    url:www.javascript.com,
    data:data,
    success:() => {
        console.log('傳送成功!');
    }
})
console.log('程式碼執行結束');複製程式碼

上面是一段簡易的ajax請求程式碼：

  • ajax進入Event Table，註冊回撥函式success。
  • 執行console.log('程式碼執行結束')。
  • ajax事件完成，回撥函式success進入Event Queue。
  • 主執行緒從Event Queue讀取回撥函式success並執行。

相信通過上面的文字和程式碼，你已經對js的執行順序有了初步瞭解。接下來我們來研究進階話題：setTimeout。

3.又愛又恨的setTimeout

大名鼎鼎的setTimeout無需再多言，大家對他的第一印象就是非同步可以延時執行，我們經常這麼實現延時3秒執行：

setTimeout(() => {
    console.log('延時3秒');
},3000)複製程式碼

漸漸的setTimeout用的地方多了，問題也出現了，有時候明明寫的延時3秒，實際卻5，6秒才執行函式，這又咋回事啊？

先看一個例子：

setTimeout(() => {
    task();
},3000)
console.log('執行console');複製程式碼

根據前面我們的結論，setTimeout是非同步的，應該先執行console.log這個同步任務，所以我們的結論是：

//執行console
//task()複製程式碼

去驗證一下，結果正確！
然後我們修改一下前面的程式碼：

setTimeout(() => {
    task()
},3000)

sleep(10000000)複製程式碼

乍一看其實差不多嘛，但我們把這段程式碼在chrome執行一下，卻發現控制檯執行task()需要的時間遠遠超過3秒，說好的延時三秒，為啥現在需要這麼長時間啊？

這時候我們需要重新理解setTimeout的定義。我們先說上述程式碼是怎麼執行的：

  • task()進入Event Table並註冊,計時開始。
  • 執行sleep函式，很慢，非常慢，計時仍在繼續。
  • 3秒到了，計時事件timeout完成，task()進入Event Queue，但是sleep也太慢了吧，還沒執行完，只好等著。
  • sleep終於執行完了，task()終於從Event Queue進入了主執行緒執行。

上述的流程走完，我們知道setTimeout這個函式，是經過指定時間後，把要執行的任務(本例中為task())加入到Event Queue中，又因為是單執行緒任務要一個一個執行，如果前面的任務需要的時間太久，那麼只能等著，導致真正的延遲時間遠遠大於3秒。

我們還經常遇到setTimeout(fn,0)這樣的程式碼，0秒後執行又是什麼意思呢？是不是可以立即執行呢？

答案是不會的，setTimeout(fn,0)的含義是，指定某個任務在主執行緒最早可得的空閒時間執行，意思就是不用再等多少秒了，只要主執行緒執行棧內的同步任務全部執行完成，棧為空就馬上執行。舉例說明：

//程式碼1
console.log('先執行這裡');
setTimeout(() => {
    console.log('執行啦')
},0);複製程式碼
//程式碼2
console.log('先執行這裡');
setTimeout(() => {
    console.log('執行啦')
},3000);複製程式碼

程式碼1的輸出結果是：

//先執行這裡
//執行啦複製程式碼

程式碼2的輸出結果是：

//先執行這裡
// ... 3s later
// 執行啦複製程式碼

關於setTimeout要補充的是，即便主執行緒為空，0毫秒實際上也是達不到的。根據HTML的標準，最低是4毫秒。有興趣的同學可以自行了解。

4.又恨又愛的setInterval

上面說完了setTimeout，當然不能錯過它的孿生兄弟setInterval。他倆差不多，只不過後者是迴圈的執行。對於執行順序來說，setInterval會每隔指定的時間將註冊的函式置入Event Queue，如果前面的任務耗時太久，那麼同樣需要等待。

唯一需要注意的一點是，對於setInterval(fn,ms)來說，我們已經知道不是每過ms秒會執行一次fn，而是每過ms秒，會有fn進入Event Queue。一旦setInterval的回撥函式fn執行時間超過了延遲時間ms，那麼就完全看不出來有時間間隔了。這句話請讀者仔細品味。

5.Promise與process.nextTick(callback)

傳統的定時器我們已經研究過了，接著我們探究Promise與process.nextTick(callback)的表現。

Promise的定義和功能本文不再贅述，不瞭解的讀者可以學習一下阮一峰老師的Promise。而process.nextTick(callback)類似node.js版的"setTimeout"，在事件迴圈的下一次迴圈中呼叫 callback 回撥函式。

我們進入正題，除了廣義的同步任務和非同步任務，我們對任務有更精細的定義：

  • macro-task(巨集任務)：包括整體程式碼script，setTimeout，setInterval
  • micro-task(微任務)：Promise，process.nextTick

不同型別的任務會進入對應的Event Queue，比如setTimeout和setInterval會進入相同的Event Queue。

事件迴圈的順序，決定js程式碼的執行順序。進入整體程式碼(巨集任務)後，開始第一次迴圈。接著執行所有的微任務。然後再次從巨集任務開始，找到其中一個任務佇列執行完畢，再執行所有的微任務。聽起來有點繞，我們用文章最開始的一段程式碼說明：

setTimeout(function() {
    console.log('setTimeout');
})

new Promise(function(resolve) {
    console.log('promise');
}).then(function() {
    console.log('then');
})

console.log('console');複製程式碼
  • 這段程式碼作為巨集任務，進入主執行緒。
  • 先遇到setTimeout，那麼將其回撥函式註冊後分發到巨集任務Event Queue。(註冊過程與上同，下文不再描述)
  • 接下來遇到了Promise，new Promise立即執行，then函式分發到微任務Event Queue。
  • 遇到console.log()，立即執行。
  • 好啦，整體程式碼script作為第一個巨集任務執行結束，看看有哪些微任務？我們發現了then在微任務Event Queue裡面，執行。
  • ok，第一輪事件迴圈結束了，我們開始第二輪迴圈，當然要從巨集任務Event Queue開始。我們發現了巨集任務Event Queue中setTimeout對應的回撥函式，立即執行。
  • 結束。

事件迴圈，巨集任務，微任務的關係如圖所示：

我們來分析一段較複雜的程式碼，看看你是否真的掌握了js的執行機制：

console.log('1');

setTimeout(function() {
    console.log('2');
    process.nextTick(function() {
        console.log('3');
    })
    new Promise(function(resolve) {
        console.log('4');
        resolve();
    }).then(function() {
        console.log('5')
    })
})
process.nextTick(function() {
    console.log('6');
})
new Promise(function(resolve) {
    console.log('7');
    resolve();
}).then(function() {
    console.log('8')
})

setTimeout(function() {
    console.log('9');
    process.nextTick(function() {
        console.log('10');
    })
    new Promise(function(resolve) {
        console.log('11');
        resolve();
    }).then(function() {
        console.log('12')
    })
})複製程式碼

第一輪事件迴圈流程分析如下：

  • 整體script作為第一個巨集任務進入主執行緒，遇到console.log，輸出1。
  • 遇到setTimeout，其回撥函式被分發到巨集任務Event Queue中。我們暫且記為setTimeout1。
  • 遇到process.nextTick()，其回撥函式被分發到微任務Event Queue中。我們記為process1。
  • 遇到Promise，new Promise直接執行，輸出7。then被分發到微任務Event Queue中。我們記為then1。
  • 又遇到了setTimeout，其回撥函式被分發到巨集任務Event Queue中，我們記為setTimeout2。
巨集任務Event Queue 微任務Event Queue
setTimeout1 process1
setTimeout2 then1

  • 上表是第一輪事件迴圈巨集任務結束時各Event Queue的情況，此時已經輸出了1和7。

  • 我們發現了process1和then1兩個微任務。

  • 執行process1,輸出6。
  • 執行then1，輸出8。

好了，第一輪事件迴圈正式結束，這一輪的結果是輸出1，7，6，8。那麼第二輪時間迴圈從setTimeout1巨集任務開始：

  • 首先輸出2。接下來遇到了process.nextTick()，同樣將其分發到微任務Event Queue中，記為process2。new Promise立即執行輸出4，then也分發到微任務Event Queue中，記為then2。
巨集任務Event Queue 微任務Event Queue
setTimeout2 process2
then2
  • 第二輪事件迴圈巨集任務結束，我們發現有process2和then2兩個微任務可以執行。
  • 輸出3。
  • 輸出5。
  • 第二輪事件迴圈結束，第二輪輸出2，4，3，5。
  • 第三輪事件迴圈開始，此時只剩setTimeout2了，執行。
  • 直接輸出9。
  • 將process.nextTick()分發到微任務Event Queue中。記為process3。
  • 直接執行new Promise，輸出11。
  • 將then分發到微任務Event Queue中，記為then3。
巨集任務Event Queue 微任務Event Queue
process3
then3
  • 第三輪事件迴圈巨集任務執行結束，執行兩個微任務process3和then3。
  • 輸出10。
  • 輸出12。
  • 第三輪事件迴圈結束，第三輪輸出9，11，10，12。

整段程式碼，共進行了三次事件迴圈，完整的輸出為1，7，6，8，2，4，3，5，9，11，10，12。
(請注意，node環境下的事件監聽依賴libuv與前端環境不完全相同，輸出順序可能會有誤差)

6.寫在最後

(1)js的非同步

我們從最開頭就說javascript是一門單執行緒語言，不管是什麼新框架新語法糖實現的所謂非同步，其實都是用同步的方法去模擬的，牢牢把握住單執行緒這點非常重要。

(2)事件迴圈Event Loop

事件迴圈是js實現非同步的一種方法，也是js的執行機制。

(3)javascript的執行和執行

執行和執行有很大的區別，javascript在不同的環境下，比如node，瀏覽器，Ringo等等，執行方式是不同的。而執行大多指javascript解析引擎，是統一的。

(4)setImmediate

微任務和巨集任務還有很多種類，比如setImmediate等等，執行都是有共同點的，有興趣的同學可以自行了解。

(5)最後的最後

  • javascript是一門單執行緒語言
  • Event Loop是javascript的執行機制

牢牢把握兩個基本點，以認真學習javascript為中心，早日實現成為前端高手的偉大夢想！

  • 聯絡郵箱：ssssyoki@foxmail.com
  • 聯絡微信：the-UK

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