4种方案详解如何实现准时的setTimeout

Posted 2021-07-10 前端开发博客

最近一个粉丝去面字节，被面试官问到了这个问题来问我，一听感觉有点意思，于是对它进行了一番研究，可能研究的过程以及结果不一定是最好的，但是还是记录一下，为各位提供一些帮助。

拿到这个问题，假设有这样的场景，我们需要用 setTimeout 做一个动画，并且需要控制他的频率，50ms 运行一次，首先我们先上图，来看看 setTimeout 的表现。

运行代码如下，通过一个计数器来记录每一次 setTimeout 的调用，而设定的间隔 * 计数次数，就等于理想状态下的延迟，通过以下例子来查看我们计时器的准确性。

function timer() {
   var speed = 50, // 设定间隔
   counter = 1,  // 计数
   start = new Date().getTime();
   
   function instance()
   {
    var ideal = (counter * speed),
    real = (new Date().getTime() - start);
    
    counter++;
    form.ideal.value = ideal; // 记录理想值
    form.real.value = real;   // 记录真实值

    var diff = (real - ideal);
    form.diff.value = diff;  // 差值

    window.setTimeout(function() { instance(); }, speed);
   };
   
   window.setTimeout(function() { instance(); }, speed);
}
timer();

而我们如果在 setTimeout 还未执行期间加入一些额外的代码逻辑，再来看看这个差值。

...
window.setTimeout(function() { instance(); }, speed);
for(var x=1, i=0; i<10000000; i++) { x *= (i + 1); }
}
...

可以看出，这大大加剧了误差。

可以看到随着时间的推移， setTimeout 实际执行的时间和理想的时间差值会越来越大，这就不是我们预期的样子。类比真实的场景，对于一些倒计时以及动画来说都会造成时间的偏差都是不理想的。

那么，从这个现象来看一下，为什么 setTimeout 会不准时呢？

因为我们的代码往往并不是只有一个 setTimeout，大多数会遇到以下情况。

详细要从浏览器的事件循环讲起，但是讲事件循环的文章太多了，文本就不再累赘地详细展开讲解。

视频

• https://www.youtube.com/watch?v=8aGhZQkoFbQ

（国内视频 https://www.bilibili.com/video/av456657611/）

建议看国外的中英对照字幕，国内的翻译准确度一般

相关文章

• https://jakearchibald.com/2015/tasks-microtasks-queues-and-schedules/

• 极客时间 - 李兵 - 15 | 消息队列和事件循环：页面是怎么“活”起来的？https://time.geekbang.org/column/article/134456

总结来说，因为浏览器页面是有消息队列和事件循环来驱动的，创建一个 setTimeout 的时候是将它推进了一个队列，并没有立即执行，只有本轮宏任务执行完，才会去检查当前的消息队列是否有有到期的任务。

接下来我会用 4 这种方式来探索。

while

想得到准确的，我们第一反应就是如果我们能够主动去触发，获取到最开始的时间，以及不断去轮询当前时间，如果差值是预期的时间，那么这个定时器肯定是准确的，那么用 while 可以实现这个功能。

理解起来也很简单：

i

代码如下：

function timer(time) {
    const startTime = Date.now();
    while(true) {
        const now = Date.now();
        if(now - startTime >= time) {
            console.log('误差', now - startTime - time);
            return;
        }
    }
}
timer(5000);

打印：误差 0

显然这样的方式很精确，但是我们知道 js 是单线程运行，使用这样的方式强行霸占线程会使得页面进入卡死状态，这样的结果显然是不合适的。

Web Worker

那么既然无法在当前主线程避免这个误差，我们能否另开一个线程去处理呢？当然可以，javascript 也提供给我们这样一个能力，通过 Web Worker 我们就可以在另一个线程来运行我们的代码。

Web Worker为Web内容在后台线程中运行脚本提供了一种简单的方法。线程可以执行任务而不干扰用户界面。              -- 摘自MDN

一个 worker 的简单的示例

// main.js
var myWorker = new Worker('worker.js');

// 监听 worker
myWorker.onmessage = function(e) {
  result.textContent = e.data;
  console.log('Message received from worker');
}
first.onchange = function() {
  // 向 worker 发送数据
  myWorker.postMessage([first.value,second.value]);
  console.log('Message posted to worker');
}

// worker.js
onmessage = function(e) {
  // 接受主线程的数据
  console.log('Message received from main script');
  var workerResult = 'Result: ' + (e.data[0] * e.data[1]);
  console.log('Posting message back to main script');
  // 向主线程发送数据
  postMessage(workerResult);
}

那么接下来我们就要加 worker 和 while 相结合，以下为创建 worker 部分

// worker生成器
const createWorker = (fn, options) => {
    const blob = new Blob(['(' + fn.toString() + ')()']);
    const url = URL.createObjectURL(blob);
    if (options) {
        return new Worker(url, options);
    }
    return new Worker(url);
} 
// worker 部分
const worker = createWorker(function () {
    onmessage = function (e) {
        const date = Date.now();
        while (true) {
            const now = Date.now();
            if(now - date >= e.data) {
                postMessage(1);
                return;
            }
        }
    }
})

我们通过在 worker 中写入一个 while 循环，当达到我们的预取时间的时候，再向主线程发送一个完成事件，就不会因为主线程的其他代码的干扰而造成数据不准的情况。

let isStart = false;
function timer() {
    worker.onmessage = function (e) {
       cb()
        if (isStart) {
            worker.postMessage(speed);
        } 
    }
    worker.postMessage(speed);
}

我们来看一下实际的效果。

我们可以看到执行的时间和理想的时间非常相近，而那细微的差异应该就是线程通讯耗时。

我们再来看看加入额外的代码逻辑的情况。

...
if (isStart) {
   worker.postMessage(speed);
}
for (var x = 1, i = 0; i < 10000000; i++) { x *= (i + 1); }
...


时间明显增加了一些，但是增加速度非常缓慢。

虽然我们用 Web Worker 修复时间看似被解决了。但是一方面， worker 线程会被 while 给占用，导致无法接受到信息，多个定时器无法同时执行，另一方面，由于 onmessage 还是属于事件循环内，如果主线程有大量阻塞还是会让时间越差越大，因此这并不是个完美的方案。

requestAnimationFrame

先来看看他的定义

window.requestAnimationFrame() 告诉浏览器——你希望执行一个动画，并且要求浏览器在下次重绘之前调用指定的回调函数更新动画。该方法需要传入一个回调函数作为参数，该回调函数会在浏览器下一次重绘之前执行，回调函数执行次数通常是每秒60次，也就是每16.7ms 执行一次，但是并不一定保证为 16.7 ms。

我们也可以尝试一下将它来模拟 setTimeout。

// 模拟代码
function setTimeout2 (cb, delay) {
    let startTime = Date.now()
    loop()
  
    function loop () {
      const now = Date.now()
      if (now - startTime >= delay) {
        cb();
        return;
      }
      requestAnimationFrame(loop)
    }
}

发现由于 16.7 ms 间隔执行，在使用间隔很小的定时器，很容易导致时间的不准确。

再看看额外代码的引入效果。

...
 window.setInterval2(function () { instance(); }, speed);
}
for (var x = 1, i = 0; i < 10000000; i++) { x *= (i + 1); }
...

略微加剧了误差的增加，因此这种方案仍然不是一种好的方案。

setTimeout 系统时间补偿

这个方案是在 stackoverflow 看到的一个方案，我们来看看此方案和原方案的区别

原方案

setTimeout系统时间补偿

当每一次定时器执行时后，都去获取系统的时间来进行修正，虽然每次运行可能会有误差，但是通过系统时间对每次运行的修复，能够让后面每一次时间都得到一个补偿。

function timer() {
   var speed = 500,
   counter = 1, 
   start = new Date().getTime();
   
   function instance()
   {
    var ideal = (counter * speed),
    real = (new Date().getTime() - start);
    
    counter++;

    var diff = (real - ideal);
    form.diff.value = diff;

    window.setTimeout(function() { instance(); }, (speed - diff)); // 通过系统时间进行修复

   };
   
   window.setTimeout(function() { instance(); }, speed);
}

再来看看加入额外的代码逻辑的情况。

依旧非常的稳定，因此通过系统的时间补偿，能够让我们的 setTimeout 变得更加准时，至此我们完成了如何让 setTimeout 准时的探索。

好了我们最后来总结一下4种方案的优缺点

	while	Web Worker	requestAnimationFrame	setTimeout 系统时间补偿
准确度	高	高	低	高
主线程阻塞	阻塞	一般	不阻塞	不阻塞
评分	⭐️⭐️	⭐️⭐️⭐️	⭐️	⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️

我们下期再见~

参考

https://segmentfault.com/q/1010000013909430

https://stackoverflow.com/questions/196027/is-there-a-more-accurate-way-to-create-a-javascript-timer-than-settimeout

END

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