一年前，我寫了一篇《什麼是 Event Loop？》，談了我對Event Loop的理解。
上個月，我偶然看到了Philip Roberts的演講《Help, I'm stuck in an event-loop》。這才尷尬地發現，自己的理解是錯的。我決定重寫這個題目，詳細、完整、正確地描述JavaScript引擎的內部執行機制。下面就是我的重寫。
進入正文之前，插播一條訊息。我的新書《ECMAScript 6入門》出版了（版權頁，內頁1，內頁2），銅版紙全綵印刷，非常精美，還附有索引（當然價格也比同類書籍略貴一點點）。預覽和購買點選這裡。
（2014年10月13日更新：本文已經做了較大修改，反映了我現在的認識。關於setTimeout的更多解釋和示例，請參閱我正在寫的《JavaScript標準參考教程》。）
（2014年10月11日更新：樸靈老師對本文做了評註，詳細得指出了文中存在的錯誤說法，建議閱讀。）
一、為什麼JavaScript是單執行緒？
JavaScript語言的一大特點就是單執行緒，也就是說，同一個時間只能做一件事。那麼，為什麼JavaScript不能有多個執行緒呢？這樣能提高效率啊。
JavaScript的單執行緒，與它的用途有關。作為瀏覽器指令碼語言，JavaScript的主要用途是與使用者互動，以及操作DOM。這決定了它只能是單執行緒，否則會帶來很複雜的同步問題。比如，假定JavaScript同時有兩個執行緒，一個執行緒在某個DOM節點上新增內容，另一個執行緒刪除了這個節點，這時瀏覽器應該以哪個執行緒為準？
所以，為了避免複雜性，從一誕生，JavaScript就是單執行緒，這已經成了這門語言的核心特徵，將來也不會改變。
為了利用多核CPU的計算能力，HTML5提出Web Worker標準，允許JavaScript指令碼建立多個執行緒，但是子執行緒完全受主執行緒控制，且不得操作DOM。所以，這個新標準並沒有改變JavaScript單執行緒的本質。
二、任務佇列
單執行緒就意味著，所有任務需要排隊，前一個任務結束，才會執行後一個任務。如果前一個任務耗時很長，後一個任務就不得不一直等著。
如果排隊是因為計算量大，CPU忙不過來，倒也算了，但是很多時候CPU是閒著的，因為IO裝置（輸入輸出裝置）很慢（比如Ajax操作從網路讀取資料），不得不等著結果出來，再往下執行。
JavaScript語言的設計者意識到，這時主執行緒完全可以不管IO裝置，掛起處於等待中的任務，先執行排在後面的任務。等到IO裝置返回了結果，再回過頭，把掛起的任務繼續執行下去。
於是，所有任務可以分成兩種，一種是同步任務（synchronous），另一種是非同步任務（asynchronous）。同步任務指的是，在主執行緒上排隊執行的任務，只有前一個任務執行完畢，才能執行後一個任務；非同步任務指的是，不進入主執行緒、而進入"任務佇列"（task queue）的任務，只有"任務佇列"通知主執行緒，某個非同步任務可以執行了，該任務才會進入主執行緒執行。
具體來說，非同步執行的執行機制如下。（同步執行也是如此，因為它可以被視為沒有非同步任務的非同步執行。）
（1）所有同步任務都在主執行緒上執行，形成一個執行棧（execution context stack）。
（2）主執行緒之外，還存在一個"任務佇列"（task queue）。只要非同步任務有了執行結果，就在"任務佇列"之中放置一個事件。
（3）一旦"執行棧"中的所有同步任務執行完畢，系統就會讀取"任務佇列"，看看裡面有哪些事件。那些對應的非同步任務，於是結束等待狀態，進入執行棧，開始執行。
（4）主執行緒不斷重複上面的第三步。
下圖就是主執行緒和任務佇列的示意圖。
只要主執行緒空了，就會去讀取"任務佇列"，這就是JavaScript的執行機制。這個過程會不斷重複。
三、事件和回撥函式
"任務佇列"是一個事件的佇列（也可以理解成訊息的佇列），IO裝置完成一項任務，就在"任務佇列"中新增一個事件，表示相關的非同步任務可以進入"執行棧"了。主執行緒讀取"任務佇列"，就是讀取裡面有哪些事件。
"任務佇列"中的事件，除了IO裝置的事件以外，還包括一些使用者產生的事件（比如滑鼠點選、頁面滾動等等）。只要指定過回撥函式，這些事件發生時就會進入"任務佇列"，等待主執行緒讀取。
所謂"回撥函式"（callback），就是那些會被主執行緒掛起來的程式碼。非同步任務必須指定回撥函式，當主執行緒開始執行非同步任務，就是執行對應的回撥函式。
"任務佇列"是一個先進先出的資料結構，排在前面的事件，優先被主執行緒讀取。主執行緒的讀取過程基本上是自動的，只要執行棧一清空，"任務佇列"上第一位的事件就自動進入主執行緒。但是，由於存在後文提到的"定時器"功能，主執行緒首先要檢查一下執行時間，某些事件只有到了規定的時間，才能返回主執行緒。
四、Event Loop
主執行緒從"任務佇列"中讀取事件，這個過程是迴圈不斷的，所以整個的這種執行機制又稱為Event Loop（事件迴圈）。
為了更好地理解Event Loop，請看下圖（轉引自Philip Roberts的演講《Help, I'm stuck in an event-loop》）。
上圖中，主執行緒執行的時候，產生堆（heap）和棧（stack），棧中的程式碼呼叫各種外部API，它們在"任務佇列"中加入各種事件（click，load，done）。只要棧中的程式碼執行完畢，主執行緒就會去讀取"任務佇列"，依次執行那些事件所對應的回撥函式。
執行棧中的程式碼（同步任務），總是在讀取"任務佇列"（非同步任務）之前執行。請看下面這個例子。
var req = new XMLHttpRequest(); req.open('GET', url); req.onload = function (){}; req.onerror = function (){}; req.send();
上面程式碼中的req.send方法是Ajax操作向伺服器傳送資料，它是一個非同步任務，意味著只有當前指令碼的所有程式碼執行完，系統才會去讀取"任務佇列"。所以，它與下面的寫法等價。
var req = new XMLHttpRequest(); req.open('GET', url); req.send(); req.onload = function (){}; req.onerror = function (){};
也就是說，指定回撥函式的部分（onload和onerror），在send()方法的前面或後面無關緊要，因為它們屬於執行棧的一部分，系統總是執行完它們，才會去讀取"任務佇列"。
五、定時器
除了放置非同步任務的事件，"任務佇列"還可以放置定時事件，即指定某些程式碼在多少時間之後執行。這叫做"定時器"（timer）功能，也就是定時執行的程式碼。
定時器功能主要由setTimeout()和setInterval()這兩個函式來完成，它們的內部執行機制完全一樣，區別在於前者指定的程式碼是一次性執行，後者則為反覆執行。以下主要討論setTimeout()。
setTimeout()接受兩個引數，第一個是回撥函式，第二個是推遲執行的毫秒數。
console.log(1); setTimeout(function(){console.log(2);},1000); console.log(3);
上面程式碼的執行結果是1，3，2，因為setTimeout()將第二行推遲到1000毫秒之後執行。
如果將setTimeout()的第二個引數設為0，就表示當前程式碼執行完（執行棧清空）以後，立即執行（0毫秒間隔）指定的回撥函式。
setTimeout(function(){console.log(1);}, 0); console.log(2);
上面程式碼的執行結果總是2，1，因為只有在執行完第二行以後，系統才會去執行"任務佇列"中的回撥函式。
總之，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，也就是說，儘可能早得執行。它在"任務佇列"的尾部新增一個事件，因此要等到同步任務和"任務佇列"現有的事件都處理完，才會得到執行。
HTML5標準規定了setTimeout()的第二個引數的最小值（最短間隔），不得低於4毫秒，如果低於這個值，就會自動增加。在此之前，老版本的瀏覽器都將最短間隔設為10毫秒。另外，對於那些DOM的變動（尤其是涉及頁面重新渲染的部分），通常不會立即執行，而是每16毫秒執行一次。這時使用requestAnimationFrame()的效果要好於setTimeout()。
需要注意的是，setTimeout()只是將事件插入了"任務佇列"，必須等到當前程式碼（執行棧）執行完，主執行緒才會去執行它指定的回撥函式。要是當前程式碼耗時很長，有可能要等很久，所以並沒有辦法保證，回撥函式一定會在setTimeout()指定的時間執行。
六、Node.js的Event Loop
Node.js也是單執行緒的Event Loop，但是它的執行機制不同於瀏覽器環境。
請看下面的示意圖（作者@BusyRich）。
根據上圖，Node.js的執行機制如下。
（1）V8引擎解析JavaScript指令碼。
（2）解析後的程式碼，呼叫Node API。
（3）libuv庫負責Node API的執行。它將不同的任務分配給不同的執行緒，形成一個Event Loop（事件迴圈），以非同步的方式將任務的執行結果返回給V8引擎。
（4）V8引擎再將結果返回給使用者。
除了setTimeout和setInterval這兩個方法，Node.js還提供了另外兩個與"任務佇列"有關的方法：process.nextTick和setImmediate。它們可以幫助我們加深對"任務佇列"的理解。
process.nextTick方法可以在當前"執行棧"的尾部----下一次Event Loop（主執行緒讀取"任務佇列"）之前----觸發回撥函式。也就是說，它指定的任務總是發生在所有非同步任務之前。setImmediate方法則是在當前"任務佇列"的尾部新增事件，也就是說，它指定的任務總是在下一次Event Loop時執行，這與setTimeout(fn, 0)很像。請看下面的例子（via StackOverflow）。
process.nextTick(function A() { console.log(1); process.nextTick(function B(){console.log(2);}); }); setTimeout(function timeout() { console.log('TIMEOUT FIRED'); }, 0) // 1 // 2 // TIMEOUT FIRED
上面程式碼中，由於process.nextTick方法指定的回撥函式，總是在當前"執行棧"的尾部觸發，所以不僅函式A比setTimeout指定的回撥函式timeout先執行，而且函式B也比timeout先執行。這說明，如果有多個process.nextTick語句（不管它們是否巢狀），將全部在當前"執行棧"執行。
現在，再看setImmediate。
setImmediate(function A() { console.log(1); setImmediate(function B(){console.log(2);}); }); setTimeout(function timeout() { console.log('TIMEOUT FIRED'); }, 0);
上面程式碼中，setImmediate與setTimeout(fn,0)各自新增了一個回撥函式A和timeout，都是在下一次Event Loop觸發。那麼，哪個回撥函式先執行呢？答案是不確定。執行結果可能是1--TIMEOUT FIRED--2，也可能是TIMEOUT FIRED--1--2。
令人困惑的是，Node.js文件中稱，setImmediate指定的回撥函式，總是排在setTimeout前面。實際上，這種情況只發生在遞迴呼叫的時候。
setImmediate(function (){ setImmediate(function A() { console.log(1); setImmediate(function B(){console.log(2);}); }); setTimeout(function timeout() { console.log('TIMEOUT FIRED'); }, 0); }); // 1 // TIMEOUT FIRED // 2
上面程式碼中，setImmediate和setTimeout被封裝在一個setImmediate裡面，它的執行結果總是1--TIMEOUT FIRED--2，這時函式A一定在timeout前面觸發。至於2排在TIMEOUT FIRED的後面（即函式B在timeout後面觸發），是因為setImmediate總是將事件註冊到下一輪Event Loop，所以函式A和timeout是在同一輪Loop執行，而函式B在下一輪Loop執行。
我們由此得到了process.nextTick和setImmediate的一個重要區別：多個process.nextTick語句總是在當前"執行棧"一次執行完，多個setImmediate可能則需要多次loop才能執行完。事實上，這正是Node.js 10.0版新增setImmediate方法的原因，否則像下面這樣的遞迴呼叫process.nextTick，將會沒完沒了，主執行緒根本不會去讀取"事件佇列"！
process.nextTick(function foo() { process.nextTick(foo); });
事實上，現在要是你寫出遞迴的process.nextTick，Node.js會丟擲一個警告，要求你改成setImmediate。
另外，由於process.nextTick指定的回撥函式是在本次"事件迴圈"觸發，而setImmediate指定的是在下次"事件迴圈"觸發，所以很顯然，前者總是比後者發生得早，而且執行效率也高（因為不用檢查"任務佇列"）。
（完）