一、為什么JavaScript是單線程？

JavaScript語言的一大特點就是單線程，也就是說，同一個時間只能做一件事。那么，為什么JavaScript不能有多個線程呢？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，以及操作DOM。這決定了它只能是單線程，否則會帶來很復雜的同步問題。比如，假定JavaScript同時有兩個線程，一個線程在某個DOM節(jié)點上添加內(nèi)容，另一個線程刪除了這個節(jié)點，這時瀏覽器應(yīng)該以哪個線程為準？
所以，為了避免復雜性，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，將來也不會改變。

為了利用多核CPU的計算能力，HTML5提出Web Worker標準，允許JavaScript腳本創(chuàng)建多個線程，但是子線程完全受主線程控制，且不得操作DOM。所以，這個新標準并沒有改變JavaScript單線程的本質(zhì)。

二、任務(wù)隊列

單線程就意味著，所有任務(wù)需要排隊，前一個任務(wù)結(jié)束，才會執(zhí)行后一個任務(wù)。如果前一個任務(wù)耗時很長，后一個任務(wù)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是閑著的，因為IO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)計者意識到，這時CPU完全可以不管IO設(shè)備，掛起處于等待中的任務(wù)，先運行排在后面的任務(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，JavaScript就有了兩種執(zhí)行方式：一種是CPU按順序執(zhí)行，前一個任務(wù)結(jié)束，再執(zhí)行下一個任務(wù)，這叫做同步執(zhí)行；另一種是CPU跳過等待時間長的任務(wù)，先處理后面的任務(wù)，這叫做異步執(zhí)行。程序員自主選擇，采用哪種執(zhí)行方式。

具體來說，異步執(zhí)行的運行機制如下。（同步執(zhí)行也是如此，因為它可以被視為沒有異步任務(wù)的異步執(zhí)行。）

（1）所有任務(wù)都在主線程上執(zhí)行，形成一個執(zhí)行棧（execution context stack）。
（2）主線程之外，還存在一個"任務(wù)隊列"（task queue）。系統(tǒng)把異步任務(wù)放到"任務(wù)隊列"之中，然后繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)的任務(wù)。
（3）一旦"執(zhí)行棧"中的所有任務(wù)執(zhí)行完畢，系統(tǒng)就會讀取"任務(wù)隊列"。如果這個時候，異步任務(wù)已經(jīng)結(jié)束了等待狀態(tài)，就會從"任務(wù)隊列"進入執(zhí)行棧，恢復執(zhí)行。
（4）主線程不斷重復上面的第三步。

下圖就是主線程和任務(wù)隊列的示意圖。

只要主線程空了，就會去讀取"任務(wù)隊列"，這就是JavaScript的運行機制。這個過程會不斷重復。

三、事件和回調(diào)函數(shù)

"任務(wù)隊列"實質(zhì)上是一個事件的隊列（也可以理解成消息的隊列），IO設(shè)備完成一項任務(wù)，就在"任務(wù)隊列"中添加一個事件，表示相關(guān)的異步任務(wù)可以進入"執(zhí)行棧"了。主線程讀取"任務(wù)隊列"，就是讀取里面有哪些事件。

"任務(wù)隊列"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（比如鼠標點擊、頁面滾動等等）。只要指定過回調(diào)函數(shù)，這些事件發(fā)生時就會進入"任務(wù)隊列"，等待主線程讀取。

所謂"回調(diào)函數(shù)"（callback），就是那些會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)，當異步任務(wù)從"任務(wù)隊列"回到執(zhí)行棧，回調(diào)函數(shù)就會執(zhí)行。

"任務(wù)隊列"是一個先進先出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，排在前面的事件，優(yōu)先返回主線程。主線程的讀取過程基本上是自動的，只要執(zhí)行棧一清空，"任務(wù)隊列"上第一位的事件就自動返回主線程。但是，由于存在后文提到的"定時器"功能，主線程要檢查一下執(zhí)行時間，某些事件必須要在規(guī)定的時間返回主線程。

四、Event Loop

主線程從"任務(wù)隊列"中讀取事件，這個過程是循環(huán)不斷的，所以整個的這種運行機制又稱為Event Loop（事件循環(huán)）。

為了更好地理解Event Loop，請看下圖（轉(zhuǎn)引自Philip Roberts的演講《Help, I'm stuck in an event-loop》）。

上圖中，主線程運行的時候，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，主線程就會去讀取"任務(wù)隊列"，依次執(zhí)行那些事件所對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。

執(zhí)行棧中的代碼，總是在讀取"任務(wù)隊列"之前執(zhí)行。請看下面這個例子。

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)，它是一個異步任務(wù)，意味著只有當前腳本的所有代碼執(zhí)行完，系統(tǒng)才會去讀取"任務(wù)隊列"。所以，它與下面的寫法等價。

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，因為它們屬于執(zhí)行棧的一部分，系統(tǒng)總是執(zhí)行完它們，才會去讀取"任務(wù)隊列"。

五、定時器

除了放置異步任務(wù)，"任務(wù)隊列"還有一個作用，就是可以放置定時事件，即指定某些代碼在多少時間之后執(zhí)行。這叫做"定時器"（timer）功能，也就是定時執(zhí)行的代碼。

定時器功能主要由setTimeout()和setInterval()這兩個函數(shù)來完成，它們的內(nèi)部運行機制完全一樣，區(qū)別在于前者指定的代碼是一次性執(zhí)行，后者則為反復執(zhí)行。以下主要討論setTimeout()。

setTimeout()接受兩個參數(shù)，第一個是回調(diào)函數(shù)，第二個是推遲執(zhí)行的毫秒數(shù)。

上面代碼的執(zhí)行結(jié)果是1，3，2，因為setTimeout()將第二行推遲到1000毫秒之后執(zhí)行。

如果將setTimeout()的第二個參數(shù)設(shè)為0，就表示當前代碼執(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)。

上面代碼的執(zhí)行結(jié)果總是2，1，因為只有在執(zhí)行完第二行以后，系統(tǒng)才會去執(zhí)行"任務(wù)隊列"中的回調(diào)函數(shù)。
HTML5標準規(guī)定了setTimeout()的第二個參數(shù)的最小值（最短間隔），不得低于4毫秒，如果低于這個值，就會自動增加。在此之前，老版本的瀏覽器都將最短間隔設(shè)為10毫秒。

另外，對于那些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(zhí)行，而是每16毫秒執(zhí)行一次。這時使用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)隊列"，必須等到當前代碼（執(zhí)行棧）執(zhí)行完，主線程才會去執(zhí)行它指定的回調(diào)函數(shù)。要是當前代碼耗時很長，有可能要等很久，所以并沒有辦法保證，回調(diào)函數(shù)一定會在setTimeout()指定的時間執(zhí)行。

六、Node.js的Event Loop

Node.js也是單線程的Event Loop，但是它的運行機制不同于瀏覽器環(huán)境。

請看下面的示意圖（作者@BusyRich）。

根據(jù)上圖，Node.js的運行機制如下。

（1）V8引擎解析JavaScript腳本。
（2）解析后的代碼，調(diào)用Node API。
（3）libuv庫負責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這兩個方法，Node.js還提供了另外兩個與"任務(wù)隊列"有關(guān)的方法：process.nextTick和

process.nextTick方法可以在當前"執(zhí)行棧"的尾部----主線程下一次讀取"任務(wù)隊列"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方法則是在當前"任務(wù)隊列"的尾部觸發(fā)回調(diào)函數(shù)，也就是說，它指定的任務(wù)總是在主線程下一次讀取"任務(wù)隊列"時執(zhí)行，這與setTimeout(fn, 0)很像。請看下面的例子（via StackOverflow）。

上面代碼中，由于process.nextTick方法指定的回調(diào)函數(shù)，總是在當前"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process.nextTick語句（不管它們是否嵌套），將全部在當前"執(zhí)行棧"執(zhí)行。

現(xiàn)在，再看setImmediate。

上面代碼中，有兩個setImmediate。第一個setImmediate，指定在當前"任務(wù)隊列"尾部（下一次"事件循環(huán)"時）觸發(fā)回調(diào)函數(shù)A；然后，setTimeout也是指定在當前"任務(wù)隊列"尾部觸發(fā)回調(diào)函數(shù)timeout，所以輸出結(jié)果中，TIMEOUT FIRED排在1的后面。至于2排在TIMEOUT FIRED的后面，是因為setImmediate的另一個重要特點：一次"事件循環(huán)"只能觸發(fā)一個由setImmediate指定的回調(diào)函數(shù)。

我們由此得到了一個重要區(qū)別：多個process.nextTick語句總是一次執(zhí)行完，多個setImmediate則需要多次才能執(zhí)行完。事實上，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，將會沒完沒了，主線程根本不會去讀取"事件隊列"！

事實上，現(xiàn)在要是你寫出遞歸的process.nextTick，Node.js會拋出一個警告，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（因為不用檢查"任務(wù)隊列"）。

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