JavaScript 運(yùn)行機(jī)制詳解再淺談Event Loop
一、為什么JavaScript是單線程?
JavaScript
語言的一大特點(diǎn)就是單線程,也就是說,同一個(gè)時(shí)間只能做一件事。那么,為什么JavaScript不能有多個(gè)線程呢?這樣能提高效率啊。
JavaScript的單線程
,與它的用途有關(guān)。作為瀏覽器腳本語言,JavaScript
的主要用途是與用戶互動(dòng),以及操作DOM
。這決定了它只能是單線程,否則會(huì)帶來很復(fù)雜的同步問題。比如,假定JavaScript
同時(shí)有兩個(gè)線程,一個(gè)線程在某個(gè)DOM
節(jié)點(diǎn)上添加內(nèi)容,另一個(gè)線程刪除了這個(gè)節(jié)點(diǎn),這時(shí)瀏覽器應(yīng)該以哪個(gè)線程為準(zhǔn)?
所以,為了避免復(fù)雜性,從一誕生,JavaScript
就是單線程,這已經(jīng)成了這門語言的核心特征,將來也不會(huì)改變。
為了利用多核CPU
的計(jì)算能力,HTML5
提出Web Worker
標(biāo)準(zhǔn),允許JavaScript
腳本創(chuàng)建多個(gè)線程,但是子線程完全受主線程控制,且不得操作DOM
。所以,這個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)并沒有改變JavaScript單線程的本質(zhì)。
二、任務(wù)隊(duì)列
單線程就意味著,所有任務(wù)需要排隊(duì),前一個(gè)任務(wù)結(jié)束,才會(huì)執(zhí)行后一個(gè)任務(wù)。如果前一個(gè)任務(wù)耗時(shí)很長,后一個(gè)任務(wù)就不得不一直等著。
如果排隊(duì)是因?yàn)橛?jì)算量大,CPU
忙不過來,倒也算了,但是很多時(shí)候CPU
是閑著的,因?yàn)镮O設(shè)備(輸入輸出設(shè)備)很慢(比如Ajax
操作從網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)),不得不等著結(jié)果出來,再往下執(zhí)行。
JavaScript語言的設(shè)計(jì)者意識(shí)到,這時(shí)主線程完全可以不管IO設(shè)備,掛起處于等待中的任務(wù),先運(yùn)行排在后面的任務(wù)。等到IO設(shè)備返回了結(jié)果,再回過頭,把掛起的任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行下去。
于是,所有任務(wù)可以分成兩種,一種是同步任務(wù)(synchronous
),另一種是異步任務(wù)(asynchronous
)。同步任務(wù)指的是,在主線程上排隊(duì)執(zhí)行的任務(wù),只有前一個(gè)任務(wù)執(zhí)行完畢,才能執(zhí)行后一個(gè)任務(wù);異步任務(wù)指的是,不進(jìn)入主線程、而進(jìn)入"任務(wù)隊(duì)列"(task queue
)的任務(wù),只有"任務(wù)隊(duì)列"通知主線程,某個(gè)異步任務(wù)可以執(zhí)行了,該任務(wù)才會(huì)進(jìn)入主線程執(zhí)行。
具體來說,異步執(zhí)行的運(yùn)行機(jī)制如下。(同步執(zhí)行也是如此,因?yàn)樗梢员灰暈闆]有異步任務(wù)的異步執(zhí)行。)
(1)所有同步任務(wù)都在主線程上執(zhí)行,形成一個(gè)執(zhí)行棧(
execution context stack
)。
(2)主線程之外,還存在一個(gè)"任務(wù)隊(duì)列"(task queue
)。只要異步任務(wù)有了運(yùn)行結(jié)果,就在"任務(wù)隊(duì)列"之中放置一個(gè)事件。
(3)一旦"執(zhí)行棧"中的所有同步任務(wù)執(zhí)行完畢,系統(tǒng)就會(huì)讀取"任務(wù)隊(duì)列",看看里面有哪些事件。那些對(duì)應(yīng)的異步任務(wù),于是結(jié)束等待狀態(tài),進(jìn)入執(zhí)行棧,開始執(zhí)行。
(4)主線程不斷重復(fù)上面的第三步。
下圖就是主線程和任務(wù)隊(duì)列的示意圖。
只要主線程空了,就會(huì)去讀取"任務(wù)隊(duì)列",這就是JavaScript
的運(yùn)行機(jī)制。這個(gè)過程會(huì)不斷重復(fù)。
三、事件和回調(diào)函數(shù)
"任務(wù)隊(duì)列"是一個(gè)事件的隊(duì)列(也可以理解成消息的隊(duì)列),IO設(shè)備完成一項(xiàng)任務(wù),就在"任務(wù)隊(duì)列"中添加一個(gè)事件,表示相關(guān)的異步任務(wù)可以進(jìn)入"執(zhí)行棧"了。主線程讀取"任務(wù)隊(duì)列",就是讀取里面有哪些事件。
"任務(wù)隊(duì)列"中的事件,除了IO設(shè)備的事件以外,還包括一些用戶產(chǎn)生的事件(比如鼠標(biāo)點(diǎn)擊、頁面滾動(dòng)等等)。只要指定過回調(diào)函數(shù),這些事件發(fā)生時(shí)就會(huì)進(jìn)入"任務(wù)隊(duì)列",等待主線程讀取。
所謂"回調(diào)函數(shù)"(callback
),就是那些會(huì)被主線程掛起來的代碼。異步任務(wù)必須指定回調(diào)函數(shù),當(dāng)主線程開始執(zhí)行異步任務(wù),就是執(zhí)行對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。
"任務(wù)隊(duì)列"是一個(gè)先進(jìn)先出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),排在前面的事件,優(yōu)先被主線程讀取。主線程的讀取過程基本上是自動(dòng)的,只要執(zhí)行棧一清空,"任務(wù)隊(duì)列"上第一位的事件就自動(dòng)進(jìn)入主線程。但是,由于存在后文提到的"定時(shí)器"功能,主線程首先要檢查一下執(zhí)行時(shí)間,某些事件只有到了規(guī)定的時(shí)間,才能返回主線程。
四、Event Loop
主線程從"任務(wù)隊(duì)列"中讀取事件,這個(gè)過程是循環(huán)不斷的,所以整個(gè)的這種運(yùn)行機(jī)制又稱為Event Loop(事件循環(huán))。
為了更好地理解Event Loop
,請(qǐng)看下圖
上圖中,主線程運(yùn)行的時(shí)候,產(chǎn)生堆(heap
)和棧(stack
),棧中的代碼調(diào)用各種外部API,它們在"任務(wù)隊(duì)列"中加入各種事件(click
,load
,done
)。只要棧中的代碼執(zhí)行完畢,主線程就會(huì)去讀取"任務(wù)隊(duì)列",依次執(zhí)行那些事件所對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。
執(zhí)行棧中的代碼(同步任務(wù)),總是在讀取"任務(wù)隊(duì)列"(異步任務(wù))之前執(zhí)行。請(qǐng)看下面這個(gè)例子。
var req = new XMLHttpRequest(); req.open('GET', url); req.onload = function (){}; req.onerror = function (){}; req.send();
上面代碼中的req.send
方法是Ajax
操作向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù),它是一個(gè)異步任務(wù),意味著只有當(dāng)前腳本的所有代碼執(zhí)行完,系統(tǒng)才會(huì)去讀取"任務(wù)隊(duì)列"。所以,它與下面的寫法等價(jià)。
var req = new XMLHttpRequest(); req.open('GET', url); req.send(); req.onload = function (){}; req.onerror = function (){};
也就是說,指定回調(diào)函數(shù)的部分(onload
和onerror
),在send()
方法的前面或后面無關(guān)緊要,因?yàn)樗鼈儗儆趫?zhí)行棧的一部分,系統(tǒng)總是執(zhí)行完它們,才會(huì)去讀取"任務(wù)隊(duì)列"。
五、定時(shí)器
除了放置異步任務(wù)的事件,"任務(wù)隊(duì)列"還可以放置定時(shí)事件,即指定某些代碼在多少時(shí)間之后執(zhí)行。這叫做"定時(shí)器"(timer)功能,也就是定時(shí)執(zhí)行的代碼。
定時(shí)器功能主要由setTimeout()
和setInterval()
這兩個(gè)函數(shù)來完成,它們的內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制完全一樣,區(qū)別在于前者指定的代碼是一次性執(zhí)行,后者則為反復(fù)執(zhí)行。以下主要討論setTimeout()。
setTimeout()
接受兩個(gè)參數(shù),第一個(gè)是回調(diào)函數(shù),第二個(gè)是推遲執(zhí)行的毫秒數(shù)。
console.log(1); setTimeout(function(){console.log(2);},1000); console.log(3);
上面代碼的執(zhí)行結(jié)果是1,3,2,因?yàn)?code>setTimeout()將第二行推遲到1000毫秒之后執(zhí)行。
如果將setTimeout()
的第二個(gè)參數(shù)設(shè)為0,就表示當(dāng)前代碼執(zhí)行完(執(zhí)行棧清空)以后,立即執(zhí)行(0毫秒間隔)指定的回調(diào)函數(shù)。
setTimeout(function(){console.log(1);}, 0); console.log(2);
上面代碼的執(zhí)行結(jié)果總是2,1,因?yàn)橹挥性趫?zhí)行完第二行以后,系統(tǒng)才會(huì)去執(zhí)行"任務(wù)隊(duì)列"中的回調(diào)函數(shù)。
總之,setTimeout(fn,0)
的含義是,指定某個(gè)任務(wù)在主線程最早可得的空閑時(shí)間執(zhí)行,也就是說,盡可能早得執(zhí)行。它在"任務(wù)隊(duì)列"的尾部添加一個(gè)事件,因此要等到同步任務(wù)和"任務(wù)隊(duì)列"現(xiàn)有的事件都處理完,才會(huì)得到執(zhí)行。
HTML5
標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了setTimeout()
的第二個(gè)參數(shù)的最小值(最短間隔),不得低于4毫秒,如果低于這個(gè)值,就會(huì)自動(dòng)增加。在此之前,老版本的瀏覽器都將最短間隔設(shè)為10毫秒。另外,對(duì)于那些DOM的變動(dòng)(尤其是涉及頁面重新渲染的部分),通常不會(huì)立即執(zhí)行,而是每16毫秒執(zhí)行一次。這時(shí)使用requestAnimationFrame()
的效果要好于setTimeout()。
需要注意的是,setTimeout()
只是將事件插入了"任務(wù)隊(duì)列",必須等到當(dāng)前代碼(執(zhí)行棧)執(zhí)行完,主線程才會(huì)去執(zhí)行它指定的回調(diào)函數(shù)。要是當(dāng)前代碼耗時(shí)很長,有可能要等很久,所以并沒有辦法保證,回調(diào)函數(shù)一定會(huì)在setTimeout()指定的時(shí)間執(zhí)行。
六、Node.js的Event Loop
Node.js
也是單線程的Event Loop
,但是它的運(yùn)行機(jī)制不同于瀏覽器環(huán)境。
請(qǐng)看下面的示意圖
根據(jù)上圖,Node.js的運(yùn)行機(jī)制如下。
(1)V8引擎解析
JavaScript
腳本。(2)解析后的代碼,調(diào)用Node API。
(3)
libuv
庫負(fù)責(zé)Node API
的執(zhí)行。它將不同的任務(wù)分配給不同的線程,形成一個(gè)Event Loop
(事件循環(huán)),以異步的方式將任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果返回給V8引擎。(4)V8引擎再將結(jié)果返回給用戶。
除了setTimeout
和setInterval
這兩個(gè)方法,Node.js
還提供了另外兩個(gè)與"任務(wù)隊(duì)列"有關(guān)的方法:process.nextTick
和setImmediate
。它們可以幫助我們加深對(duì)"任務(wù)隊(duì)列"的理解。
process.nextTick
方法可以在當(dāng)前"執(zhí)行棧"的尾部----下一次Event Loop
(主線程讀取"任務(wù)隊(duì)列")之前----觸發(fā)回調(diào)函數(shù)。也就是說,它指定的任務(wù)總是發(fā)生在所有異步任務(wù)之前。setImmediate
方法則是在當(dāng)前"任務(wù)隊(duì)列"的尾部添加事件,也就是說,它指定的任務(wù)總是在下一次Event Loop
時(shí)執(zhí)行,這與setTimeout(fn, 0)
很像。請(qǐng)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
上面代碼中,由于process.nextTick
方法指定的回調(diào)函數(shù),總是在當(dāng)前"執(zhí)行棧"的尾部觸發(fā),所以不僅函數(shù)A比setTimeout
指定的回調(diào)函數(shù)timeout先執(zhí)行,而且函數(shù)B也比timeout
先執(zhí)行。這說明,如果有多個(gè)process.nextTick
語句(不管它們是否嵌套),將全部在當(dāng)前"執(zhí)行棧"執(zhí)行。
現(xiàn)在,再看setImmediate
setImmediate(function A() { console.log(1); setImmediate(function B(){console.log(2);}); }); setTimeout(function timeout() { console.log('TIMEOUT FIRED'); }, 0);
上面代碼中,setImmediate
與setTimeout(fn,0)
各自添加了一個(gè)回調(diào)函數(shù)A和timeout
,都是在下一次Event Loop
觸發(fā)。那么,哪個(gè)回調(diào)函數(shù)先執(zhí)行呢?答案是不確定。運(yùn)行結(jié)果可能是1--TIMEOUT FIRED--2
,也可能是TIMEOUT FIRED--1--2。
令人困惑的是,Node.js
文檔中稱,setImmediate
指定的回調(diào)函數(shù),總是排在setTimeout
前面。實(shí)際上,這種情況只發(fā)生在遞歸調(diào)用的時(shí)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
上面代碼中,setImmediate
和setTimeout
被封裝在一個(gè)setImmediate
里面,它的運(yùn)行結(jié)果總是1--TIMEOUT FIRED--2,這時(shí)函數(shù)A一定在timeout前面觸發(fā)。至于2排在TIMEOUT FIRED
的后面(即函數(shù)B在timeout
后面觸發(fā)),是因?yàn)?code>setImmediate總是將事件注冊到下一輪Event Loop
,所以函數(shù)A和timeout
是在同一輪Loop執(zhí)行,而函數(shù)B在下一輪Loop執(zhí)行。
我們由此得到了process.nextTick
和setImmediate
的一個(gè)重要區(qū)別:多個(gè)process.nextTick
語句總是在當(dāng)前"執(zhí)行棧"一次執(zhí)行完,多個(gè)setImmediate
可能則需要多次loop才能執(zhí)行完。事實(shí)上,這正是Node.js 10.0版添加setImmediate
方法的原因,否則像下面這樣的遞歸調(diào)用process.nextTick
,將會(huì)沒完沒了,主線程根本不會(huì)去讀取"事件隊(duì)列"!
process.nextTick(function foo() { process.nextTick(foo); });
事實(shí)上,現(xiàn)在要是你寫出遞歸的process.nextTick,Node.js
會(huì)拋出一個(gè)警告,要求你改成setImmediate
。
另外,由于process.nextTick
指定的回調(diào)函數(shù)是在本次"事件循環(huán)"觸發(fā),而setImmediate
指定的是在下次"事件循環(huán)"觸發(fā),所以很顯然,前者總是比后者發(fā)生得早,而且執(zhí)行效率也高(因?yàn)椴挥脵z查"任務(wù)隊(duì)列")。
到此這篇關(guān)于JavaScript
運(yùn)行機(jī)制詳解再淺談Event Loop的文章就介紹到這了,更多相關(guān)JavaScript
運(yùn)行機(jī)制 Event Loop
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