Javascript的单线程和异步编程

Posted 2020-11-21 T-Mcgrady*

运行时概念

下面的内容解释了一个理论上的模型。现代 javascript 引擎着重实现和优化了描述的几个语义。

可视化描述

栈

函数调用形成了一个栈帧。

function foo(b) {
  var a = 10;
  return a + b + 11;
}

function bar(x) {
  var y = 3;
  return foo(x * y);
}

console.log(bar(7));

 

当调用bar时，创建了第一个帧 ，帧中包含了bar的参数和局部变量。当bar调用foo时，第二个帧就被创建，并被压到第一个帧之上，帧中包含了foo的参数和局部变量。当foo返回时，最上层的帧就被弹出栈（剩下bar函数的调用帧 ）。当bar返回的时候，栈就空了。

堆

对象被分配在一个堆中，即用以表示一个大部分非结构化的内存区域。

队列

一个 JavaScript 运行时包含了一个待处理的消息队列。每一个消息都有一个为了处理这个消息相关联的函数。

在事件循环时，runtime （运行时）总是从最先进入队列的一个消息开始处理队列中的消息。正因如此，这个消息就会被移出队列，并将其作为输入参数调用与之关联的函数。为了使用这个函数，调用一个函数总是会为其创造一个新的栈帧（ stack frame），一如既往。

函数的处理会一直进行直到执行栈再次为空；然后事件循环（event loop）将会处理队列中的下一个消息（如果还有的话）。

事件循环

之所以称为事件循环，是因为它经常被用于类似如下的方式来实现：

while (queue.waitForMessage()) {
  queue.processNextMessage();
}

如果当前没有任何消息queue.waitForMessage 会等待同步消息到达。

Javascript的单线程和异步编程

为什么JavaScript是单线程？

JavaScript语言的一大特点就是单线程，也就是说，同一个时间只能做一件事。那么，为什么JavaScript不能有多个线程呢？这样能提高效率啊。

JavaScript的单线程，与它的用途有关。作为浏览器脚本语言，JavaScript的主要用途是与用户互动，以及操作DOM。这决定了它只能是单线程，否则会带来很复杂的同步问题。比如，假定JavaScript同时有两个线程，一个线程在某个DOM节点上添加内容，另一个线程删除了这个节点，这时浏览器应该以哪个线程为准？

所以，为了避免复杂性，从一诞生，JavaScript就是单线程，这已经成了这门语言的核心特征，将来也不会改变。

为了利用多核CPU的计算能力，html5提出Web Worker标准，允许JavaScript脚本创建多个线程，但是子线程完全受主线程控制，且不得操作DOM。所以，这个新标准并没有改变JavaScript单线程的本质。

单线程--异步

说到js的单线程（single threaded）和异步（asynchronous），很多同学不禁会想，这不是自相矛盾么？其实，单线程和异步确实不能同时成为一个语言的特性。js选择了成为单线程的语言，所以它本身不可能是异步的，但js的宿主环境（比如浏览器，Node）是多线程的，宿主环境通过某种方式（事件驱动，下文会讲）使得js具备了异步的属性。往下看，你会发现js的机制是多么的简单高效！

浏览器--异步

js是单线程语言，浏览器只分配给js一个主线程，用来执行任务（函数），但一次只能执行一个任务，这些任务形成一个任务队列排队等候执行，但前端的某些任务是非常耗时的，比如网络请求，定时器和事件监听，如果让他们和别的任务一样，都老老实实的排队等待执行的话，执行效率会非常的低，甚至导致页面的假死。所以，浏览器为这些耗时任务开辟了另外的线程，主要包括http请求线程，浏览器定时触发器，浏览器事件触发线程，这些任务是异步的。下图说明了浏览器的主要线程。

图片来自popAnt 画得太好，忍不住引过来 （http://blog.csdn.net/kfanning/article/details/5768776）

任务队列

刚才说到浏览器为网络请求这样的异步任务单独开了一个线程，那么问题来了，这些异步任务完成后，主线程怎么知道呢？答案就是回调函数，整个程序是事件驱动的，每个事件都会绑定相应的回调函数，举个栗子，有段代码设置了一个定时器

setTimeout(function(){
    console.log(time is out);
}，50）;

执行这段代码的时候，浏览器异步执行计时操作，当50ms到了后，会触发定时事件，这个时候，就会把回调函数放到任务队列里。整个程序就是通过这样的一个个事件驱动起来的。
所以说，js是一直是单线程的，浏览器才是实现异步的那个家伙。

主线程

js一直在做一个工作，就是从任务队列里提取任务，放到主线程里执行。下面我们来进行更深一步的理解。

图片来自Philip Roberts的演讲《Help, I\'m stuck in an event-loop》非常深刻！
我们把刚才了解的概念和图中做一个对应，上文中说到的浏览器为异步任务单独开辟的线程可以统一理解为WebAPIs，上文中说到的任务队列就是callback queue，我们所说的主线程就是有虚线组成的那一部分，堆（heap）和栈（stack）共同组成了js主线程，函数的执行就是通过进栈和出栈实现的，比如图中有一个foo()函数，主线程把它推入栈中，在执行函数体时，发现还需要执行上面的那几个函数，所以又把这几个函数推入栈中，等到函数执行完，就让函数出栈。等到stack清空时，说明一个任务已经执行完了，这时就会从callback queue中寻找下一个人任务推入栈中（这个寻找的过程，叫做event loop，因为它总是循环的查找任务队列里是否还有任务）。

几个容易困惑的问题

1. setTimeout(f1,0)是什么鬼
   这个语句最大的疑问是，f1是不是立刻执行？答案是不一定，因为要看主线程内的命令是否已经执行完了，如下代码：

   setTimeout(function(){
   console.log(1);
   },0);
   console.log(2);

   这段代码的输出结果是2,1。因为执行setTimeou后，会立即把匿名函数放到callback queue里面等待主线程的召唤，但这个时候stack里面并不是空的，因为还有一句console.log(2)。等到执行完console.log(2)后，才通过event loop把匿名函数放到stack里面。所以setTimeout(f1,0)这个语句并不是没有意义，如果f1是很耗时的任务，那就应该把任务放到callback queue里面，等到主程序执行完后再执行。
2. Ajax请求是否异步
   了解完上文内容，我们就知道了，ajax请求内容的时候是异步的，当请求完成后，会触发请求完成的事件，然后把回调函数放入callback queue，等到主线程执行该回调函数时还是单线程的。

3. 界面渲染线程是单独开辟的线程，是不是DOM一变化，界面就立刻重新渲染？
   如果DOM一变化，界面就立刻重新渲染，效率必然很低，所以浏览器的机制规定界面渲染线程和主线程是互斥的，主线程执行任务时，浏览器渲染线程处于挂起状态。

如何利用浏览器的异步机制

我们已经知道，js一直是单线程执行的，浏览器为几个明显的耗时任务单独开辟线程解决耗时问题，但是js除了这几个明显的耗时问题外，可能我们自己写的程序里面也会有耗时的函数，这种情况怎么处理呢？我们肯定不能自己开辟单独的线程，但我们可以利用浏览器给我们开放的这几个窗口，浏览器定时器线程和事件触发线程是好利用的，网络请求线程不适合我们使用。下面我们具体看一下：

假设耗时函数是f1，f1是f2的前置任务。

• 利用定时器触发线程

  function f1(callback){
  setTimeout(function(){
      // f1 的代码
      callback();
  },0);
  }
  f1(f2);

  这种写法的耦合度高。

• 利用事件触发线程

  $f1.on(\'custom\',f2);  //这里绑定事件以jQuery写法为例
  function f1(){
  setTimeout(function(){
      // f1的代码
      $f1.trigger(\'custom\');
  },0);
  }

  这种方法通过绑定自定义事件，对方法一解耦，这样可以通过绑定不同的事件，实现不同的回调函数，但如果应用这种方法过多，不利于阅读程序。

• 发布/订阅

  上面"事件"，完全可以理解成"信号"。

  我们假定，存在一个"信号中心"，某个任务执行完成，就向信号中心"发布"（publish）一个信号，其他任务可以向信号中心"订阅"（subscribe）这个信号，从而知道什么时候自己可以开始执行。这就叫做"发布/订阅模式"（publish-subscribe pattern），又称"观察者模式"（observer pattern）。

  这个模式有多种实现，下面采用的是Ben Alman的Tiny Pub/Sub，这是jQuery的一个插件。

  首先，f2向"信号中心"jQuery订阅"done"信号。

• jQuery.subscribe("done", f2);

  然后，f1进行如下改写：

• function f1(){
  
  　　　　setTimeout(function () {
  
  　　　　　　// f1的任务代码
  
  　　　　　　jQuery.publish("done");
  
  　　　　}, 1000);
  
  　　}

  jQuery.publish("done")的意思是，f1执行完成后，向"信号中心"jQuery发布"done"信号，从而引发f2的执行。

  此外，f2完成执行后，也可以取消订阅（unsubscribe）。

• jQuery.unsubscribe("done", f2);

•  

  这种方法的性质与"事件监听"类似，但是明显优于后者。因为我们可以通过查看"消息中心"，了解存在多少信号、每个信号有多少订阅者，从而监控程序的运行。

• Nodejs非阻塞式IO/事件驱动IO

异步的好处和适合的场景

1. 异步的好处
   我们直接通过一个例子对同步和异步进行对比，假设有四个任务（编号为1,2,3,4），它们的执行时间都是10ms,其中任务2是任务3的前置任务，任务2需要20ms的响应时间。下面我们做下对比，你就知道怎么实现的非阻塞I/O了。
   
   图片来自Soham Kaman的文章
2. 适合的场景
   可以看出，当我们的程序需要大量I/O操作和用户请求时，js这个具备单线程，异步，事件驱动多种气质的语言是多么应景！相比于多线程语言，它不必耗费过多的系统开销，同时也不必把精力用于处理多线程管理，相比于同步执行的语言，宿主环境的异步和事件驱动机制又让它实现了非阻塞I/O，所以你应该知道它适合什么样的场景了吧！

参考：

https://www.cnblogs.com/woodyblog/p/6061671.html

http://www.ruanyifeng.com/blog/2014/10/event-loop.html