Javascript之Event Loop

laixiangran發表於2018-04-16

先看段程式碼:

console.log(1);

setTimeout(function () {
    console.log(2);

    new Promise(function (resolve, reject) {
        console.log(3);
        resolve();
        console.log(4);
    }).then(function () {
        console.log(5);
    });
});

function fn() {
    console.log(6);
    setTimeout(function () {
        console.log(7);
    }, 50);
}

new Promise(function (resolve, reject) {
    console.log(8);
    resolve();
    console.log(9);
}).then(function () {
    console.log(10);
});

fn();

console.log(11);

// 以下程式碼需要在 node 環境中執行
process.nextTick(function () {
    console.log(12);
});

setImmediate(function () {
    console.log(13);
});

思考一下,能給出準確的輸出順序嗎?

下面我們一個一個的來了解 Event Loop 相關的知識點,最後再一步一步分析出本段程式碼最後的輸出順序。

JavaScript是單執行緒

首先我們先了解下程式和執行緒的概念和關係:

  • 程式: 執行的程式就是一個程式,比如你正在執行的瀏覽器,它會有一個程式。
  • 執行緒: 程式中獨立執行的程式碼段。一個程式 由單個或多個 執行緒 組成,執行緒是負責執行程式碼的。

我們都知道 JavaScript 是單執行緒的,那麼既然有單執行緒就有多執行緒,首先看看單執行緒與多執行緒的區別:

  • 單執行緒: 從頭執行到尾,一行一行執行,如果其中一行程式碼報錯,那麼剩下程式碼將不再執行。同時容易程式碼阻塞。
  • 多執行緒: 程式碼執行的環境不同,各執行緒獨立,互不影響,避免阻塞。

那為什麼JavaScript是單執行緒的呢?

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呢?

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。

執行棧、任務佇列

Javascript之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(DOM Event,ajax,setTimeout…)。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。

堆(heap):

物件被分配在一個堆中,即用以表示一個大部分非結構化的記憶體區域。

執行棧(stack):

執行同步程式碼。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。

任務佇列(callback queue):

“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。

同步任務、非同步任務、巨集任務、微任務

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,廣義上將 JavaScript 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,系統就會取出"任務佇列"中事件所對應的回撥函式進入"執行棧",開始執行;

(4)主執行緒不斷重複上面的第三步。

Javascript之Event Loop

除了廣義上的定義,我們可以將任務進行更精細的定義,分為巨集任務與微任務:

  • 巨集任務(macro-task): 包括整體程式碼script,setTimeout,setInterval,ajax,dom操作
  • 微任務(micro-task): Promise

具體來說,巨集任務與微任務執行的執行機制如下:

(1)首先,將"執行棧"最開始的所有同步程式碼(巨集任務)執行完成;

(2)檢查是否有微任務,如有則執行所有的微任務;

(3)取出"任務佇列"中事件所對應的回撥函式(巨集任務)進入"執行棧"並執行完成;

(4)再檢查是否有微任務,如有則執行所有的微任務;

(5)主執行緒不斷重複上面的(3)(4)步。

Javascript之Event Loop

以上兩種執行機制,主執行緒都從”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)

setTimeout()、setInterval()

setTimeout() 和 setInterval() 這兩個函式,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。

setTimeout() 和 setInterval() 產生的任務是 非同步任務,也屬於 巨集任務

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。setInterval() 接受兩個引數,第一個是回撥函式,第二個是反覆執行的毫秒數。

如果將第二個引數設定為0或者不設定,意思 並不是立即執行,而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。

所以說,setTimeout() 和 setInterval() 第二個引數設定的時間並不是絕對的,它需要根據當前程式碼最終執行的時間來確定的,簡單來說,如果當前程式碼執行的時間(如執行200ms)超出了推遲執行(setTimeout(fn, 100))或反覆執行的時間(setInterval(fn, 100)),那麼setTimeout(fn, 100) 和 setTimeout(fn, 0) 也就沒有區別了,setInterval(fn, 100) 和 setInterval(fn, 0) 也就沒有區別了。

Promise

Promise 相對來說就比較特殊了,在 new Promise() 中傳入的回撥函式是會 立即執行 的,但是它的 then() 方法是在 執行棧之後,任務佇列之前 執行的,它屬於 微任務

process.nextTick

process.nextTick 是 Node.js 提供的一個與”任務佇列”有關的方法,它產生的任務是放在 執行棧的尾部,並不屬於 巨集任務微任務,因此它的任務 總是發生在所有非同步任務之前。

setImmediate

setImmediate 是 Node.js 提供的另一個與”任務佇列”有關的方法,它產生的任務追加到”任務佇列”的尾部,它和 setTimeout(fn, 0) 很像,但優先順序都是 setTimeout 優先於 setImmediate。

有時候,setTimeout 的執行順序會在 setImmediate 的前面,有時候會在 setImmediate 的後面,這並不是 node.js 的 bug,這是因為雖然 setTimeout 第二個引數設定為0或者不設定,但是 setTimeout 原始碼中,會指定一個具體的毫秒數(node為1ms,瀏覽器為4ms),而由於當前程式碼執行時間受到執行環境的影響,執行時間有所起伏,如果當前執行的程式碼小於這個指定的值時,setTimeout 還沒到推遲執行的時間,自然就先執行 setImmediate 了,如果當前執行的程式碼超過這個指定的值時,setTimeout 就會先於 setImmediate 執行。

優先順序

通過上面的介紹,我們就可以得出一個程式碼執行的優先順序:

同步程式碼(巨集任務) > process.nextTick > Promise(微任務)> setTimeout(fn)、setInterval(fn)(巨集任務)> setImmediate(巨集任務)> setTimeout(fn, time)、setInterval(fn, time),其中time>0

程式碼解析

回到開頭給出的程式碼,我們來一步一步解析:

執行”執行棧”中的程式碼:

console.log(1);

// setTimeout(function () { // 作為巨集任務,暫不執行,放到任務佇列中(1)
//  console.log(2);
//
//  new Promise(function (resolve, reject) {
//      console.log(3);
//      resolve();
//      console.log(4);
//  }).then(function () {
//      console.log(5);
//  });
// });

function fn() {
    console.log(6);
    //setTimeout(function () { // 作為巨集任務,暫不執行,放到任務佇列中(3)
    //  console.log(7);
    //}, 50);
}

new Promise(function (resolve, reject) {
    console.log(8);
    resolve();
    console.log(9);
})
// .then(function () { // 作為微任務,暫不執行
//  console.log(10);
// });

fn();

console.log(11);

process.nextTick(function () {
    console.log(12);
});

// setImmediate(function () { // 作為巨集任務,暫不執行,放到任務佇列中(2)
//  console.log(13);
// });

此時輸出為:1 8 9 6 11 12

執行微任務:

new Promise(function (resolve, reject) {
    // console.log(8); // 已執行
    // resolve(); // 已執行
    // console.log(9); // 已執行
})
.then(function () {
    console.log(10);
});

此時輸出為:10

讀取”任務佇列”的回撥函式到”執行棧”

setTimeout(function () {
    console.log(2);

    new Promise(function (resolve, reject) {
        console.log(3);
        resolve();
        console.log(4);
    })
    //.then(function () { // 作為微任務,暫不執行
    //  console.log(5);
    //});
});

此時輸出為:2 3 4

再執行微任務:

setTimeout(function () {
    // console.log(2); // 已執行

    new Promise(function (resolve, reject) {
        // console.log(3); // 已執行
        // resolve(); // 已執行
        // console.log(4); // 已執行
    })
    .then(function () {
        console.log(5);
    });
});

此時輸出為:5

再讀取”任務佇列”的回撥函式到”執行棧”

setImmediate(function () {
    console.log(13);
});

此時輸出為:13

執行微任務:

再讀取”任務佇列”的回撥函式到”執行棧”

// function fn() { // 已執行
    // console.log(6); // 已執行
    setTimeout(function () {
        console.log(7);
    }, 50);
// }

此時輸出為:7

執行微任務:

綜上,最終的輸出順序是:1 8 9 6 11 12 10 2 3 4 5 13 7

參考資料

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