nodejs中的事件迴圈 - Event Loop

oOjia發表於2018-05-26
NodeJS事件OOP

什麼是Event Loop

Event Loop是一個程式結構，用於等待和傳送訊息和事件，是計算機系統的一種執行機制。JavaScript語言就採用這種機制，來解決單執行緒執行帶來的一些問題。

那麼首先要了解一下JavaScript的單執行緒的原因

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。

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。

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，後一個任務就要一直等著。很多時候CPU是閒著的，因為IO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。然而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。

由於I/O操作很慢，這個執行緒的大部分執行時間都在空等I/O操作的返回結果。這種執行方式稱為"同步模式"（synchronous I/O）或"堵塞模式"（blocking I/O）。Event Loop就是為了解決這個問題而提出的。

Event Loop

簡單說，就是在程式中設定兩個執行緒：一個負責程式本身的執行，稱為"主執行緒"；另一個負責主執行緒與其他程式（主要是各種I/O操作）的通訊，被稱為"Event Loop執行緒"（可以譯為"訊息執行緒"）。

nodejs中的事件迴圈 - Event Loop

每個階段的簡單概要：

timers : 執行setTimeout() 和 setInterval() 預先設定的回撥函式。

I/O callbacks :大部分執行都是timers 階段或是setImmediate() 預先設定的並且出現異常的回撥函式事件。

idle, prepare :nodejs 內部函式呼叫。

poll : 搜尋I/O事件，nodejs程式在這個階段會選擇在該階段適當的阻塞一段時間。

check : setImmediate() 函式會在這個階段執行。

close callbacks : 執行一些諸如關閉事件的回撥函式，如socket.on('close', ...) 。

每個階段都有一個先進先出的回撥函式佇列。只有一個階段的回撥函式佇列清空了，該執行的回撥函式都執行了，事件迴圈才會進入下一個階段。

（1）timers

這個是定時器階段，處理setTimeout()和setInterval()的回撥函式。進入這個階段後，主執行緒會檢查一下當前時間，是否滿足定時器的條件。如果滿足就執行回撥函式，否則就離開這個階段。

（2）I/O callbacks

除了以下操作的回撥函式，其他的回撥函式都在這個階段執行。

setTimeout()和setInterval()的回撥函式 setImmediate()的回撥函式 用於關閉請求的回撥函式，比如socket.on('close', ...)

（3）idle, prepare

該階段只供 libuv 內部呼叫，這裡可以忽略。

（4）Poll

這個階段是輪詢時間，用於等待還未返回的 I/O 事件，比如伺服器的迴應、使用者移動滑鼠等等。

這個階段的時間會比較長。如果沒有其他非同步任務要處理（比如到期的定時器），會一直停留在這個階段，等待 I/O 請求返回結果。

（5）check

該階段執行setImmediate()的回撥函式。

（6）close callbacks

該階段執行關閉請求的回撥函式，比如socket.on('close', ...)。

nodejs中的事件迴圈 - 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。

計時器

下面是來自官方文件的一個示例。

const fs = require('fs');

const timeoutScheduled = Date.now();

// 非同步任務一：100ms 後執行的定時器
setTimeout(() => {
  const delay = Date.now() - timeoutScheduled;
  console.log(`${delay}ms`);
}, 100);

// 非同步任務二：檔案讀取後，有一個 200ms 的回撥函式
fs.readFile('test.js', () => {
  const startCallback = Date.now();
  while (Date.now() - startCallback < 200) {
    // 什麼也不做
  }
});
複製程式碼

上面程式碼有兩個非同步任務，一個是 100ms 後執行的定時器，一個是檔案讀取，它的回撥函式需要 200ms。執行結果是什麼？

nodejs中的事件迴圈 - Event Loop

指令碼進入第一輪事件迴圈以後，沒有到期的定時器，也沒有已經可以執行的 I/O 回撥函式，所以會進入 Poll 階段，等待核心返回檔案讀取的結果。由於讀取小檔案一般不會超過 100ms，所以在定時器到期之前，Poll 階段就會得到結果，因此就會繼續往下執行。

第二輪事件迴圈，依然沒有到期的定時器，但是已經有了可以執行的 I/O 回撥函式，所以會進入 I/O callbacks 階段，執行fs.readFile的回撥函式。這個回撥函式需要 200ms，也就是說，在它執行到一半的時候，100ms 的定時器就會到期。但是，必須等到這個回撥函式執行完，才會離開這個階段。

第三輪事件迴圈，已經有了到期的定時器，所以會在 timers 階段執行定時器。最後輸出結果大概是200多毫秒。

setTimeout 和 setImmediate

由於setTimeout在 timers 階段執行，而setImmediate在 check 階段執行。所以，setTimeout會早於setImmediate完成。

setTimeout(() => console.log(1));
setImmediate(() => console.log(2));
複製程式碼

上面程式碼應該先輸出1，再輸出2，但是實際執行的時候，結果卻是不確定，有時還會先輸出2，再輸出1。

這是因為setTimeout的第二個引數預設為0。但是實際上，Node 做不到0毫秒，最少也需要1毫秒，根據官方文件，第二個引數的取值範圍在1毫秒到2147483647毫秒之間。也就是說，setTimeout(f, 0)等同於setTimeout(f, 1)。

實際執行的時候，進入事件迴圈以後，有可能到了1毫秒，也可能還沒到1毫秒，取決於系統當時的狀況。如果沒到1毫秒，那麼 timers 階段就會跳過，進入 check 階段，先執行setImmediate的回撥函式。

但是，下面的程式碼一定是先輸出2，再輸出1。

const fs = require('fs');

fs.readFile('test.js', () => {
  setTimeout(() => console.log(1));
  setImmediate(() => console.log(2));
});
複製程式碼

上面程式碼會先進入 I/O callbacks 階段，然後是 check 階段，最後才是 timers 階段。因此，setImmediate才會早於setTimeout執行。

nodejs中的事件迴圈 - Event Loop

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。

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