JavaScript非同步機制詳解

Ruheng發表於2019-03-03
JavaScript非同步

學習JavaScript的時候瞭解到JavaScript是單執行緒的，剛開始很疑惑，單執行緒怎麼處理網路請求、檔案讀寫等耗時操作呢？效率豈不是會很低？隨著對這方面內容的瞭解和深入，知道了其中的奧祕。本篇文章就主要講解一下JavaScript怎麼處理非同步問題。

一、同步與非同步

在介紹JavaScript的非同步機制之前，首先介紹一下：什麼是同步？什麼是非同步？

JavaScript非同步機制詳解

同步

如果在函式返回的時候，呼叫者就能夠得到預期結果(即拿到了預期的返回值或者看到了預期的效果)，那麼這個函式就是同步的。

如下所示：

//在函式返回時，獲得了預期值，即2的平方根
Math.sqrt(2);
//在函式返回時，獲得了預期的效果，即在控制檯上列印了'hello'
console.log('hello');
複製程式碼

上面兩個函式就是同步的。

如果函式是同步的，即使呼叫函式執行的任務比較耗時，也會一直等待直到得到預期結果。

非同步

如果在函式返回的時候，呼叫者還不能夠得到預期結果，而是需要在將來通過一定的手段得到，那麼這個函式就是非同步的。

如下所示：

//讀取檔案
fs.readFile('hello.txt', 'utf8', function(err, data) {
    console.log(data);
});
//網路請求
var xhr = new XMLHttpRequest();
xhr.onreadystatechange = xxx; // 新增回撥函式
xhr.open('GET', url);
xhr.send(); // 發起函式
複製程式碼

上述示例中讀取檔案函式 readFile和網路請求的發起函式 send都將執行耗時操作，雖然函式會立即返回，但是不能立刻獲取預期的結果，因為耗時操作交給其他執行緒執行，暫時獲取不到預期結果（後面介紹）。而在JavaScript中通過回撥函式 function(err, data) { console.log(data); }和 onreadystatechange ，在耗時操作執行完成後把相應的結果資訊傳遞給回撥函式，通知執行JavaScript程式碼的執行緒執行回撥。

如果函式是非同步的，發出呼叫之後，馬上返回，但是不會馬上返回預期結果。呼叫者不必主動等待，當被呼叫者得到結果之後會通過回撥函式主動通知呼叫者。

二、單執行緒與多執行緒

JavaScript非同步機制詳解
在上面介紹非同步的過程中就可能會納悶：既然JavaScript是單執行緒，怎麼還存在非同步，那些耗時操作到底交給誰去執行了？

JavaScript其實就是一門語言，說是單執行緒還是多執行緒得結合具體執行環境。JS的執行通常是在瀏覽器中進行的，具體由JS引擎去解析和執行。下面我們來具體瞭解一下瀏覽器。

瀏覽器

目前最為流行的瀏覽器為：Chrome，IE，Safari，FireFox，Opera。瀏覽器的核心是多執行緒的。

一個瀏覽器通常由以下幾個常駐的執行緒：

  • 渲染引擎執行緒：顧名思義，該執行緒負責頁面的渲染
  • JS引擎執行緒：負責JS的解析和執行
  • 定時觸發器執行緒：處理定時事件，比如setTimeout, setInterval
  • 事件觸發執行緒：處理DOM事件
  • 非同步http請求執行緒：處理http請求

需要注意的是，渲染執行緒和JS引擎執行緒是不能同時進行的。渲染執行緒在執行任務的時候，JS引擎執行緒會被掛起。因為JS可以操作DOM，若在渲染中JS處理了DOM，瀏覽器可能就不知所措了。

JS引擎

通常講到瀏覽器的時候，我們會說到兩個引擎：渲染引擎和JS引擎。渲染引擎就是如何渲染頁面，Chrome／Safari／Opera用的是Webkit引擎，IE用的是Trident引擎，FireFox用的是Gecko引擎。不同的引擎對同一個樣式的實現不一致，就導致了經常被人詬病的瀏覽器樣式相容性問題。這裡我們不做具體討論。

JS引擎可以說是JS虛擬機器，負責JS程式碼的解析和執行。通常包括以下幾個步驟：

  • 詞法分析：將原始碼分解為有意義的分詞
  • 語法分析：用語法分析器將分詞解析成語法樹
  • 程式碼生成：生成機器能執行的程式碼
  • 程式碼執行

不同瀏覽器的JS引擎也各不相同，Chrome用的是V8，FireFox用的是SpiderMonkey，Safari用的是JavaScriptCore，IE用的是Chakra。

之所以說JavaScript是單執行緒，就是因為瀏覽器在執行時只開啟了一個JS引擎執行緒來解析和執行JS。那為什麼只有一個引擎呢？如果同時有兩個執行緒去操作DOM，瀏覽器是不是又要不知所措了。

所以，雖然JavaScript是單執行緒的，可是瀏覽器內部不是單執行緒的。一些I/O操作、定時器的計時和事件監聽（click, keydown...）等都是由瀏覽器提供的其他執行緒來完成的。

三、訊息佇列與事件迴圈

通過以上了解，可以知道其實JavaScript也是通過JS引擎執行緒與瀏覽器中其他執行緒互動協作實現非同步。但是回撥函式具體何時加入到JS引擎執行緒中執行？執行順序是怎麼樣的？

這一切的解釋就需要繼續瞭解訊息佇列和事件迴圈。

JavaScript非同步機制詳解
如上圖所示，左邊的棧儲存的是同步任務，就是那些能立即執行、不耗時的任務，如變數和函式的初始化、事件的繫結等等那些不需要回撥函式的操作都可歸為這一類。

右邊的堆用來儲存宣告的變數、物件。下面的佇列就是訊息佇列，一旦某個非同步任務有了響應就會被推入佇列中。如使用者的點選事件、瀏覽器收到服務的響應和setTimeout中待執行的事件，每個非同步任務都和回撥函式相關聯。

JS引擎執行緒用來執行棧中的同步任務，當所有同步任務執行完畢後，棧被清空，然後讀取訊息佇列中的一個待處理任務，並把相關回撥函式壓入棧中，單執行緒開始執行新的同步任務。

JS引擎執行緒從訊息佇列中讀取任務是不斷迴圈的，每次棧被清空後，都會在訊息佇列中讀取新的任務，如果沒有新的任務，就會等待，直到有新的任務，這就叫事件迴圈。

JavaScript非同步機制詳解
上圖以AJAX非同步請求為例，發起非同步任務後，由AJAX執行緒執行耗時的非同步操作，而JS引擎執行緒繼續執行堆中的其他同步任務，直到堆中的所有非同步任務執行完畢。然後，從訊息佇列中依次按照順序取出訊息作為一個同步任務在JS引擎執行緒中執行，那麼AJAX的回撥函式就會在某一時刻被呼叫執行。

四、示例

引用一篇文章中提到的考察JavaScript非同步機制的面試題來具體介紹。

執行下面這段程式碼，執行後，在 5s 內點選兩下，過一段時間（>5s）後，再點選兩下，整個過程的輸出結果是什麼？

setTimeout(function(){
    for(var i = 0; i < 100000000; i++){}
    console.log('timer a');
}, 0)

for(var j = 0; j < 5; j++){
    console.log(j);
}

setTimeout(function(){
    console.log('timer b');
}, 0)

function waitFiveSeconds(){
    var now = (new Date()).getTime();
    while(((new Date()).getTime() - now) < 5000){}
    console.log('finished waiting');
}

document.addEventListener('click', function(){
    console.log('click');
})

console.log('click begin');
waitFiveSeconds();
複製程式碼

要想了解上述程式碼的輸出結果，首先介紹下定時器。

setTimeout的作用是在間隔一定的時間後，將回撥函式插入訊息佇列中，等棧中的同步任務都執行完畢後，再執行。因為棧中的同步任務也會耗時，所以間隔的時間一般會大於等於指定的時間。

setTimeout(fn, 0)的意思是，將回撥函式fn立刻插入訊息佇列，等待執行，而不是立即執行。看一個例子：

setTimeout(function() {
    console.log("a")
}, 0)

for(let i=0; i<10000; i++) {}
console.log("b")
複製程式碼
b  a
複製程式碼

列印結果表明回撥函式並沒有立刻執行，而是等待棧中的任務執行完畢後才執行的。棧中的任務執行多久，它就得等多久。

理解了定時器的作用，那麼對於輸出結果就容易得出了。

首先，先執行同步任務。其中waitFiveSeconds是耗時操作，持續執行長達5s。

0
1
2
3
4
click begin
finished waiting
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然後，在JS引擎執行緒執行的時候，'timer a'對應的定時器產生的回撥、 'timer b'對應的定時器產生的回撥和兩次 click 對應的回撥被先後放入訊息佇列。由於JS引擎執行緒空閒後，會先檢視是否有事件可執行，接著再處理其他非同步任務。因此會產生 下面的輸出順序。

click
click
timer a
timer b
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最後，5s 後的兩次 click 事件被放入訊息佇列，由於此時JS引擎執行緒空閒，便被立即執行了。

click
click
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參考文章

JavaScript：徹底理解同步、非同步和事件迴圈(Event Loop)
從setTimeout說事件迴圈模型
JavaScript單執行緒和非同步機制
JavaScript的單執行緒機制
JavaScript單執行緒非同步的背後——事件迴圈機制
JavaScript 執行機制詳解：再談Event Loop

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