深入理解JavaScript的事件循环（Event Loop）

Posted 2020-12-26 tags:

篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了深入理解JavaScript的事件循环（Event Loop）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

 

一、什么是事件循环

JS的代码执行是基于一种事件循环的机制，之所以称作事件循环，MDN给出的解释为

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

我们可以把它当成一种程序结构的模型，处理的方案。更详细的描述可以查看 这篇文章

而JS的运行环境主要有两个：浏览器、Node。

在两个环境下的Event Loop实现是不一样的，在浏览器中基于 规范 来实现，不同浏览器可能有小小区别。在Node中基于 libuv 这个库来实现

 JS是单线程执行的，而基于事件循环模型，形成了基本没有阻塞（除了alert或同步XHR等操作）的状态

 

 二、Macrotask 与 Microtask

根据 规范，每个线程都有一个事件循环（Event Loop），在浏览器中除了主要的页面执行线程 外，Web worker是在一个新的线程中运行的，所以可以将其独立看待。

每个事件循环有至少一个任务队列（Task Queue，也可以称作Macrotask宏任务），各个任务队列中放置着不同来源（或者不同分类）的任务，可以让浏览器根据自己的实现来进行优先级排序

以及一个微任务队列（Microtask Queue），主要用于处理一些状态的改变，UI渲染工作之前的一些必要操作（可以防止多次无意义的UI渲染）

主线程的代码执行时，会将执行程序置入执行栈（Stack）中，执行完毕后出栈，另外有个堆空间（Heap），主要用于存储对象及一些非结构化的数据

一开始

宏任务与微任务队列里的任务随着：任务进栈、出栈、任务出队、进队之间交替着进行

从macrotask队列中取出一个任务处理，处理完成之后（此时执行栈应该是空的），从microtask队列中一个个按顺序取出所有任务进行处理，处理完成之后进入UI渲染后续工作

需要注意的是：microtask并不是在macrotask完成之后才会触发，在回调函数之后，只要执行栈是空的，就会执行microtask。也就是说，macrotask执行期间，执行栈可能是空的（比如在冒泡事件的处理时）

然后循环继续

常见的macrotask有：

• run <script>（同步的代码执行）

• setTimeout

• setInterval

• setImmediate (Node环境中)

• requestAnimationFrame

• I/O

• UI rendering

 

常见的microtask有：

• process.nextTick (Node环境中)

• Promise callback

• Object.observe (基本上已经废弃)

• MutationObserver

 

macrotask种类很多，还有 dispatch event事件派发等

run <script>这个可能看起来比较奇怪，可以把它看成一段代码（针对单个<script>标签）的同步顺序执行，主要用来描述执行程序的第一步执行

dispatch event主要用来描述事件触发之后的执行任务，比如用户点击一个按钮，触发的onClick回调函数。需要注意的是，事件的触发是同步的，这在下文有例子说明

 

注：

当然，也可认为 run <script>不属于macrotask，毕竟规范也没有这样的说明，也可以将其视为主线程上的同步任务，不在主线程上的其他部分为异步任务

 

三、在浏览器中的实现

先来看看这段蛮复杂的代码，思考一下会输出什么

            console.log(\'start\');

            var intervalA = setInterval(() => {
                console.log(\'intervalA\');
            }, 0);

            setTimeout(() => {
                console.log(\'timeout\');

                clearInterval(intervalA);
            }, 0);

            var intervalB = setInterval(() => {
                console.log(\'intervalB\');
            }, 0);

            var intervalC = setInterval(() => {
                console.log(\'intervalC\');
            }, 0);

            new Promise((resolve, reject) => {
                console.log(\'promise\');

                for (var i = 0; i < 10000; ++i) {
                    i === 9999 && resolve();
                }

                console.log(\'promise after for-loop\');
            }).then(() => {
                console.log(\'promise1\');
            }).then(() => {
                console.log(\'promise2\');

                clearInterval(intervalB);
            });

            new Promise((resolve, reject) => {
                setTimeout(() => {
                    console.log(\'promise in timeout\');
                    resolve();
                });

                console.log(\'promise after timeout\');
            }).then(() => {
                console.log(\'promise4\');
            }).then(() => {
                console.log(\'promise5\');

                clearInterval(intervalC);
            });

            Promise.resolve().then(() => {
                console.log(\'promise3\');
            });

            console.log(\'end\');    

上述代码结合了常规执行代码，setTimeout，setInterval，Promise 

答案为

 

 在解释为什么之前，先看一个更简单的例子

            console.log(\'start\');

            setTimeout(() => {
                console.log(\'timeout\');
            }, 0);

            Promise.resolve().then(() => {
                console.log(\'promise\');
            });

            console.log(\'end\');    

 大概的步骤，文字有点多

1. 运行时（runtime）识别到log方法为一般的函数方法，将其入栈，然后执行输出 start 再出栈

2. 识别到setTimeout为特殊的异步方法（macrotask），将其交由其他内核模块处理，setTimeout的匿名回调函数被放入macrotask队列中，并设置了一个 0ms的立即执行标识（提供后续模块的检查）

3. 识别到Promise的resolve方法为一般的方法，将其入栈，然后执行 再出栈

4. 识别到then为Promise的异步方法(microtask)，将其交由其他内核模块处理，匿名回调函数被放入microtask队列中

5. 识别到log方法为一般的函数方法，将其入栈，然后执行输出 end 再出栈

6. 主线程执行完毕，栈为空，随即从microtask队列中取出队首的项，

这里队首为匿名函数，匿名函数里面有 console的log方法，也将其入栈（如果执行过程中识别到特殊的方法，就在这时交给其他模块处理到对应队列尾部），

输出 promise后出栈，并将这一项从队列中移除

7. 继续检查microtask队列，当前队列为空，则将当前macrotask出队，进入下一步（如果不为空，就继续取下一个microtask执行）

8.检查是否需要进行UI重新渲染等，进行渲染...

9. 进入下一轮事件循环，检查macrotask队列，取出一项进行处理

 所以最终的结果是

 

再看上面那个例子，对比起来只是代码多了点，混入了setInterval，多个setTimeout与promise的函数部分，按照上面的思路，应该不难理解

需要注意的三点：

1. clearInterval(intervalA); 运行的时候，实际上已经执行了 intervalA 的macrotask了
2. promise函数内部是同步处理的，不会放到队列中，放入队列中的是它的then或catch回调
3. promise的then返回的还是promise，所以在输出promise4后，继续检测到后续的then方法，马上放到microtask队列尾部，再继续取出执行，马上输出promise5；

而输出promise1之后，为什么没有马上输出promise2呢？因为此时promise1所在任务之后是promise3的任务，1和3在promise函数内部返回后就添加至队列中，2在1执行之后才添加

 

再来看个例子，就有点微妙了

<script>
        console.log(\'start\');

        setTimeout(() => {
            console.log(\'timeout1\');
        }, 0);

        Promise.resolve().then(() => {
            console.log(\'promise1\');
        });
    </script>
    <script>
        setTimeout(() => {
            console.log(\'timeout2\');
        }, 0);

        requestAnimationFrame(() => {
            console.log(\'requestAnimationFrame\');
        });

        Promise.resolve().then(() => {
            console.log(\'promise2\');
        });

        console.log(\'end\');
    </script>

输出结果

requestAnimationFrame是在setTimeout之前执行的，start之后并不是直接输出end，也许这两个<script>标签被独立处理了

 

来看一个关于DOM操作的例子，Tasks, microtasks, queues and schedules

 

<style type="text/css">
    .outer {
        width: 100px;
        background: #eee;
        height: 100px;
        margin-left: 300px;
        margin-top: 150px;
        display: flex;
        align-items: center;
        justify-content: center;
    }

    .inner {
        width: 50px;
        height: 50px;
        background: #ddd;
    }
</style>

<script>
        var outer = document.querySelector(\'.outer\'),
            inner = document.querySelector(\'.inner\'),
            clickTimes = 0;

        new MutationObserver(() => {
            console.log(\'mutate\');
        }).observe(outer, {
            attributes: true
        });

        function onClick() {
            console.log(\'click\');

            setTimeout(() => {
                console.log(\'timeout\');
            }, 0);

            Promise.resolve().then(() => {
                console.log(\'promise\');
            });

            outer.setAttribute(\'data-click\', clickTimes++);
        }

        inner.addEventListener(\'click\', onClick);
        outer.addEventListener(\'click\', onClick);

        // inner.click();

        // console.log(\'done\');
    </script>

点击内部的inner块，会输出什么呢？

MutationObserver优先级比promise高，虽然在一开始就被定义，但实际上是触发之后才会被添加到microtask队列中，所以先输出了promise

两个timeout回调都在最后才触发，因为click事件冒泡了，事件派发这个macrotask任务包括了前后两个onClick回调，两个回调函数都执行完之后，才会执行接下来的 setTimeout任务

期间第一个onClick回调完成后执行栈为空，就马上接着执行microtask队列中的任务

 

如果把代码的注释去掉，使用代码自动 click()，思考一下，会输出什么？

可以看到，事件处理是同步的，done在连续输出两个click之后才输出

 而mutate只有一个，是因为当前执行第二个onClick回调的时候，microtask队列中已经有一个MutationObserver，它是第一个回调的，因为事件同步的原因没有被及时执行。浏览器会对MutationObserver进行优化，不会重复添加监听回调

 

 

 四、在Node中的实现

在Node环境中，macrotask部分主要多了setImmediate，microtask部分主要多了process.nextTick，而这个nextTick是独立出来自成队列的，优先级高于其他microtask

不过事件循环的的实现就不太一样了，可以参考 Node事件文档   libuv事件文档

Node中的事件循环有6个阶段

• timers：执行setTimeout() 和 setInterval()中到期的callback
• I/O callbacks：上一轮循环中有少数的I/Ocallback会被延迟到这一轮的这一阶段执行
• idle, prepare：仅内部使用
• poll：最为重要的阶段，执行I/O callback，在适当的条件下会阻塞在这个阶段
• check：执行setImmediate的callback
• close callbacks：执行close事件的callback，例如socket.on("close",func)

每一轮事件循环都会经过六个阶段，在每个阶段后，都会执行microtask

 

比较特殊的是在poll阶段，执行程序同步执行poll队列里的回调，直到队列为空或执行的回调达到系统上限

接下来再检查有无预设的setImmediate，如果有就转入check阶段，没有就先查询最近的timer的距离，以其作为poll阶段的阻塞时间，如果timer队列是空的，它就一直阻塞下去

而nextTick并不在这些阶段中执行，它在每个阶段之后都会执行

 

看一个例子

setTimeout(() => console.log(1));

setImmediate(() => console.log(2));

process.nextTick(() => console.log(3));

Promise.resolve().then(() => console.log(4));

console.log(5);

根据以上知识，应该很快就能知道输出结果是 5 3 4 1 2

修改一下

process.nextTick(() => console.log(1));

Promise.resolve().then(() => console.log(2));

process.nextTick(() => console.log(3));

Promise.resolve().then(() => {
    process.nextTick(() => console.log(0));
    console.log(4);
});

输出为 1 3 2 4 0，因为nextTick队列优先级高于同一轮事件循环中其他microtask队列

修改一下

process.nextTick(() => console.log(1));

console.log(0);

setTimeout(()=> {
    console.log(\'timer1\');

    Promise.resolve().then(() => {
        console.log(\'promise1\');
    });
}, 0);

process.nextTick(() => console.log(2));

setTimeout(()=> {
    console.log(\'timer2\');

    process.nextTick(() => console.log(3));

    Promise.resolve().then(() => {
        console.log(\'promise2\');
    });
}, 0);

输出为

与在浏览器中不同，这里promise1并不是在timer1之后输出，因为在setTimeout执行的时候是出于timer阶段，会先一并处理timer回调

 

setTimeout是优先于setImmediate的，但接下来这个例子却不一定是先执行setTimeout的回调

 

setTimeout(() => {
    console.log(\'timeout\');
}, 0);

setImmediate(() => {
    console.log(\'immediate\');
});

因为在Node中识别不了0ms的setTimeout，至少也得1ms. 

所以，如果在进入该轮事件循环的时候，耗时不到1ms，则setTimeout会被跳过，进入check阶段执行setImmediate回调，先输出 immediate

如果超过1ms，timer阶段中就可以马上处理这个setTimeout回调，先输出 timeout

修改一下代码，读取一个文件让事件循环进入IO文件读取的poll阶段

    let fs = require(\'fs\');

    fs.readFile(\'./event.html\', () => {
        setTimeout(() => {
            console.log(\'timeout\');
        }, 0);

        setImmediate(() => {
            console.log(\'immediate\');
        });
    });

这么一来，输出结果肯定就是 先 immediate  后 timeout

 

 五、用好事件循环

知道JS的事件循环是怎么样的了，就需要知道怎么才能把它用好

1. 在microtask中不要放置复杂的处理程序，防止阻塞UI的渲染

2. 可以使用process.nextTick处理一些比较紧急的事情

3. 可以在setTimeout回调中处理上轮事件循环中UI渲染的结果

4. 注意不要滥用setInterval和setTimeout，它们并不是可以保证能够按时处理的，setInterval甚至还会出现丢帧的情况，可考虑使用 requestAnimationFrame

5. 一些可能会影响到UI的异步操作，可放在promise回调中处理，防止多一轮事件循环导致重复执行UI的渲染

6. 在Node中使用immediate来可能会得到更多的保证

7. 不要纠结

以上是关于深入理解JavaScript的事件循环（Event Loop）的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

深入理解javascript中的事件循环event-loop

深入理解 Event Loop

JavaScript：彻底理解同步异步和事件循环(Event Loop) （转）

JavaScript：彻底理解同步异步和事件循环(Event Loop)

深入理解Javascript单线程谈Event Loop

深入理解JavaScript事件循环机制