JS中EventLoop事件循环机制

Posted 2021-04-30 乐知鱼前端日志

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背景须知

JS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。虽然多线程能提高效率，但是JavaScript不能有多个线程。

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？所以只能选择一个主线程来执行代码，以防止冲突。虽然如今添加了webworker等新技术，但其依然只是主线程的子线程，并不能执行诸如I/O类的操作。长期来看，JS将一直是单线程，所以一切javascript版的"多线程"都是用单线程模拟出来的。

单线程的优劣势

1)优势

a. 降低处理复杂性，简化开发，例如不用考虑竞争机制等。

b. 作为用于预处理与用户互动的脚本语言，可以更加容易地处理状态同步的问题。

c. JS核心维护人员自身的理解与设计。

d. 越简单越容易推广，快速上手。

2)明显的劣势

并发处理能力，任务处于 I/O 等待状态，导致CPU处理资源的浪费。

为何为非阻塞？

因为单线程意味着任务需要排队，任务按顺序执行，如果一个任务很耗时，下一个任务不得不等待。所以为了避免这种阻塞，我们需要一种非阻塞机制。这种非阻塞机制是一种异步机制，即需要等待的任务不会阻塞主执行栈中同步任务的执行。

于是JavaScript语言将任务的执行模分成两种：同步任务和异步任务。通过事件循环处理任务。

a.同步任务：在主线程上排队执行的任务，只有前一个任务执行完毕，才能执行后一个任务。

b.异步任务：不进入主线程、而进入任务队列（Task queue），只有任务通知主线程，某个任务可以执行了，该任务才会进入主线程执行。

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事件循环

事件循环是指主线程重复从消息队列中取消息、执行的过程。

为了协调事件（event），用户交互（user interaction），脚本（script），渲染（rendering），网络（networking）等，用户代理（user agent）必须使用事件循环（event loops）。

有两类事件循环：一种针对浏览上下文（browsing context），还有一种针对worker（web worker）。

事件循环机制

一个事件循环有一个或者多个任务队列（task queues）。任务队列是task的有序列表，这些task是以下工作的对应算法：Events，Parsing，Callbacks，Using a resource，Reacting to DOM manipulation。

每一个任务都来自一个特定的任务源（task source）。所有来自一个特定任务源并且属于特定事件循环的任务，通常必须被加入到同一个任务队列中，但是来自不同任务源的任务可能会放在不同的任务队列中。

举个例子，用户代理有一个处理鼠标和键盘事件的任务队列。用户代理可以给这个队列比其他队列多3/4的执行时间，以确保交互的响应而不让其他任务队列饿死（starving），并且不会乱序处理任何一个任务队列的事件。

每个事件循环都有一个进入microtask检查点（performing a microtask checkpoint）的flag标志，这个标志初始为false。它被用来组织反复调用‘进入microtask检查点’的算法。

实际上，主线程只会做一件事情，就是从消息队列里面取消息、执行消息，再取消息、再执行。当消息队列为空时，就会等待直到消息队列变成非空。而且主线程只有在将当前的消息执行完成后，才会去取下一个消息。这种机制就叫做事件循环机制，取一个消息并执行的过程叫做一次循环。

a.消息队列：消息队列是一个先进先出的队列，它里面存放着各种消息。

b.消息就是注册异步任务时添加的回调函数。

事件循环的具体步骤

1. 同步任务直接放入到主线程执行，形成一个执行栈（execution context stack），异步任务（点击事件，定时器，ajax等）进入Event Table并注册函数，等待I/O事件完成或行为事件被触发。

2. 系统后台执行异步任务，如果某个异步任务事件（或者行为事件被触发），则将该任务添加到任务队列的末端，每个任务会对应一个回调函数进行处理。

3. 执行任务队列中的任务具体是在执行栈中完成的，当主执行栈中的同步任务全部执行完毕后，去读取任务队列，任务队列中的异步任务（即之前等待任务的回调结果）会塞入主执行栈，

4.异步任务被继续执行，是一个循环的过程，处理一个队列中的任务称之为tick，异步任务执行完毕后会再次进入下一个循环。

如何知道主线程执行栈为空呢？js引擎存在monitoring process进程，会持续不断的检查主线程执行栈是否为空，一旦为空，就会去Event Queue那里检查是否有等待被调用的函数。

"任务队列"是一个先进先出的数据结构，排在前面的事件，优先返回主线程。主线程的读取过程基本上是自动的，只要执行栈一清空，"任务队列"上第一位的事件就自动返回主线程。但是，由于存在后文提到的"定时器"功能，主线程要检查一下执行时间，某些事件必须要在规定的时间返回主线程。

用一张图展示这个过程：

导图要表达的内容用文字来表述的话：

• 同步和异步任务分别进入不同的执行"场所"，同步的进入主线程，异步的进入Event Table并注册函数。

• 当指定的事情完成时，Event Table（事件列表）会将这个函数移入Event Queue（事件队列）。

• 主线程内的任务执行完毕为空，会去Event Queue读取对应的函数，进入主线程执行。

• 上述过程会不断重复，也就是常说的Event Loop(事件循环)。

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ES6事件循环

JS是有两个任务队列的，一个叫做宏任务Macrotask Queue（Task Queue），一个叫做微任务Microtask Queue。

Macrotask Queue：进行比较大型的工作，常见的有setTimeout，setInterval，用户交互操作，UI渲染等；

Microtask Queue：进行较小的工作，常见的有Promise，Process.nextTick；

这里注意：script(整体代码)即一开始在主执行栈中的同步代码本质上也属于macrotask，属于第一个执行的task

microtask和macotask执行规则：

• macrotask按顺序执行，浏览器的ui绘制会插在每个macrotask之间

• microtask按顺序执行，会在如下情况下执行：

• 每个callback之后，只要没有其他的JS在主执行栈中

• 每个macrotask结束时

事件循环+宏任务+微任务的执行顺序关系如图：

详解导图如下：

1. 检查Macrotask 队列是否为空，若不为空，则执行，若为空，则会跳转至microtask的执行步骤；

2. 从Macrotask队列中取首个任务推入执行栈执行，执行完后进入下一步；

3. 检查Microtask队列是否为空，若不为空，则进入下一步，否则开始新的事件循环；

4. 从Microtask队列取首个任务执行，执行完后，开始新的事件循环；

简单来讲，整体的js代码这个macrotask先执行，同步代码执行完后有microtask执行microtask，没有microtask执行下一个macrotask，如此往复循环。

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实例详解

1、同步+异步Ajax简单版

上面是一段简易的ajax请求代码：

• ajax进入Event Table，注册回调函数success。

• 同步任务console.log('同步执行')进入主线程执行栈，执行。

• ajax事件完成，回调函数success进入Event Queue。

• 主线程执行完执行栈中的任务，从Event Queue读取回调函数success进入执行栈并执行。

2、setTimeout

setTimeout最关键的就是异步可以延时执行，我们经常这么实现延时多秒执行：

有时候明明写的延时3秒，实际却5，6秒才执行函数，这又咋回事啊？

先看一个例子：

根据前面我们的结论，setTimeout是异步的，应该先执行console.log这个同步任务，所以我们的结论是：

//执行console //task()

然后我们修改一下前面的代码：

乍一看其实差不多嘛，但我们把这段代码在chrome执行一下，却发现控制台执行task()需要的时间远远超过3秒，说好的延时三秒，为啥现在需要这么长时间啊？

这时候我们需要重新理解setTimeout的定义。我们先说上述代码是怎么执行的：

• task()进入Event Table并注册,计时开始。

• 执行waitFn函数，很慢，非常慢，计时仍在继续。

• 3秒到了，计时事件timeout完成，task()进入Event Queue，但是waitFn也太慢了吧，还没执行完，只好等着。

• waitFn终于执行完了，task()终于从Event Queue进入了主线程执行。

上述的流程走完，我们知道setTimeout这个函数，是经过指定时间后，把要执行的任务(本例中为task())加入到Event Queue中，又因为是单线程任务要一个一个执行，如果前面的任务需要的时间太久，那么只能等着，导致真正的延迟时间远远大于3秒。

我们还经常遇到setTimeout(fn,0)这样的代码，0秒后执行又是什么意思呢？是不是可以立即执行呢？

答案是不会的，setTimeout(fn,0)的含义是，指定某个任务在主线程最早可得的空闲时间执行，意思就是不用再等多少秒了，只要主线程执行栈内的同步任务全部执行完成，栈为空就马上执行。举例说明：

代码1的输出结果是：

//先执行这里 //执行啦

代码2的输出结果是：

//先执行这里 // ... 3s later // 执行啦

关于setTimeout要补充的是，即便主线程为空，0毫秒实际上也是达不到的。html5标准规定了setTimeout()的第二个参数的最小值（最短间隔），不得低于4毫秒，如果低于这个值，就会自动增加。在此之前，老版本的浏览器都将最短间隔设为10毫秒。另外，对于那些DOM的变动（尤其是涉及页面重新渲染的部分），通常不会立即执行，而是每16毫秒执行一次。这时使用requestAnimationFrame()的效果要好于setTimeout()。

需要注意的是，setTimeout()只是将事件插入了"任务队列"，必须等到当前代码（执行栈）执行完，主线程才会去执行它指定的回调函数。要是当前代码耗时很长，有可能要等很久，所以并没有办法保证，回调函数一定会在setTimeout()指定的时间执行。

4.setInterval

上面说完了setTimeout，当然不能错过它的孪生兄弟setInterval。他俩差不多，只不过后者是循环的执行。对于执行顺序来说，setInterval会每隔指定的时间将注册的函数置入Event Queue，如果前面的任务耗时太久，那么同样需要等待。

唯一需要注意的一点是，对于setInterval(fn,ms)来说，我们已经知道不是每过ms秒会执行一次fn，而是每过ms秒，会有fn进入Event Queue。一旦setInterval的回调函数fn执行时间超过了延迟时间ms，那么就完全看不出来有时间间隔了。这句话请读者仔细品味。

5.for+setTimeout

代码解析：

1. 首先i=0时，满足条件，执行栈执行循环体里面的代码，发现是setTimeout，将其出栈之后把延时执行的函数交给Timer模块进行处理。

2. 当i=1,2,3,4时，均满足条件，情况和i=0时相同，因此timer模块里面有5个相同的延时执行的函数。

3. 当i=5的时候，不满足条件，因此for循环结束,console.log(new Date, i)入栈，此时的i已经变成了5。因此输出5。

4. 此时1s已经过去，timer模块将5个回调函数按照注册的顺序返回给任务队列。

5. 执行引擎去执行任务队列中的函数，5个function依次入栈执行之后再出栈，此时的i已经变成了5。因此几乎同时输出5个5。

6. 因此等待的1s的时间其实只有输出第一个5之后需要等待1s，这1s的时间是timer模块需要等到的规定的1s时间之后才将回调函数交给任务队列。等执行栈执行完毕之后再去执行任务对列中的5个回调函数。这期间是不需要等待1s的。因此输出的状态就是：5 -> 5,5,5,5,5，即第1个 5 直接输出，1s之后，输出 5个5；

6.宏任务+微任务

• 这段代码作为宏任务，进入主线程。

• 先遇到setTimeout，那么将其回调函数注册后分发到宏任务Event Queue。(注册过程与上同，下文不再描述)

• 接下来遇到了Promise，new Promise立即执行，then函数分发到微任务Event Queue。

• 遇到console.log()，立即执行。

• 好啦，整体代码script作为第一个宏任务执行结束，看看有哪些微任务？我们发现了then在微任务Event Queue里面，执行。

• ok，第一轮事件循环结束了，我们开始第二轮循环，当然要从宏任务Event Queue开始。我们发现了宏任务Event Queue中setTimeout对应的回调函数，立即执行。

• 结束。

7.混合代码

第一轮事件循环流程分析如下：

• 整体script作为第一个宏任务进入主线程，遇到console.log，输出1。

• 遇到setTimeout，其回调函数被分发到宏任务Event Queue中。我们暂且记为setTimeout1。

• 遇到process.nextTick()，其回调函数被分发到微任务Event Queue中。我们记为process1。

• 遇到Promise，new Promise直接执行，输出7。then被分发到微任务Event Queue中。我们记为then1。

• 又遇到了setTimeout，其回调函数被分发到宏任务Event Queue中，我们记为setTimeout2。

宏任务Event Queue	微任务Event Queue
setTimeout1	process1
setTimeout2	then1

• 上表是第一轮事件循环宏任务结束时各Event Queue的情况，此时已经输出了1和7。

• 我们发现了process1和then1两个微任务。

• 执行process1,输出6。

• 执行then1，输出8。

好了，第一轮事件循环正式结束，这一轮的结果是输出1，7，6，8。那么第二轮时间循环从setTimeout1宏任务开始：

• 首先输出2。接下来遇到了process.nextTick()，同样将其分发到微任务Event Queue中，记为process2。new Promise立即执行输出4，then也分发到微任务Event Queue中，记为then2。

宏任务Event Queue	微任务Event Queue
setTimeout2	process2
	then2

• 第二轮事件循环宏任务结束，我们发现有process2和then2两个微任务可以执行。

• 输出3。

• 输出5。

• 第二轮事件循环结束，第二轮输出2，4，3，5。

• 第三轮事件循环开始，此时只剩setTimeout2了，执行。

• 直接输出9。

• 将process.nextTick()分发到微任务Event Queue中。记为process3。

• 直接执行new Promise，输出11。

• 将then分发到微任务Event Queue中，记为then3。

宏任务Event Queue	微任务Event Queue
	process3
	then3

• 第三轮事件循环宏任务执行结束，执行两个微任务process3和then3。

• 输出10。

• 输出12。

• 第三轮事件循环结束，第三轮输出9，11，10，12。

整段代码，共进行了三次事件循环，完整的输出为1，7，6，8，2，4，3，5，9，11，10，12。

(请注意，node环境下的事件监听依赖libuv与前端环境不完全相同，输出顺序可能会有误差)

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进程与线程额外概念补充

进程与线程

进程是操作系统分配资源和调度任务的基本单位，线程是建立在进程上的一次程序运行单位，一个进程上可以有多个线程。

浏览器线程

• 浏览器引擎-在用户界面和呈现引擎之间传送指令(浏览器的主进程)

• 渲染引擎，也被称为浏览器内核(浏览器渲染进程)

• 一个插件对应一个进程(第三方插件进程)

• GPU提高网页浏览的体验( GPU 进程)

浏览器渲染引擎

• 渲染引擎内部是多线程的，内部包含 ui 线程和 js 线程

• js 线程 ui 线程 这两个线程互斥的，目的就是为了保证不产生冲突。

• ui 线程会把更改的放到队列中，当 js 线程空闲下来的时候，ui 线程在继续渲染

js 单线程

• js 是单线程，为什么呢？如果多个线程同时操作 DOM ，哪页面不会很混乱？这里所谓的单线程指的是主线程是单线程的,所以在 Node 中主线程依旧是单线程的。

webworker 多线程

• 它和 js 主线程不是平级的，主线程可以控制 webworker，但是 webworker不能操作 DOM，不能获取 document，window

其他线程

• 浏览器事件触发线程(用来控制事件循环,存放 setTimeout、浏览器事件、ajax 的回调函数)

• 定时触发器线程(setTimeout 定时器所在线程)

• 异步 HTTP 请求线程(ajax 请求线程)

单线程特点是节约了内存,并且不需要在切换执行上下文。而且单线程不需要管锁的问题,所谓 锁，在 java 里才有锁的概念，所以我们不用细研究

参考文章

https://juejin.im/post/59e85eebf265da430d571f89

https://www.jianshu.com/p/6e9f4eb7fdbb

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