js单线程

Posted 2020-06-30 lloyvhe

众所周知，javascript是以单线程的方式运行的。

一、为什么js是单线程？

这与它的用途有关。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。若以多线程的方式操作这些DOM，则可能出现操作的冲突。假设有两个线程同时操作一个DOM元素，线程1要求浏览器删除DOM，而线程2却要求修改DOM样式，这时浏览器就无法决定采用哪个线程的操作。当然，我们可以为浏览器引入“锁”的机制来解决这些冲突，但这会大大提高复杂性，所以 JavaScript 从诞生开始就选择了单线程执行。

当然对于不可避免的耗时操作（如：繁重的运算，多重循环），html5提出了Web Worker，它会在当前JavaScript的执行主线程中利用Worker类新开辟一个额外的线程来加载和运行特定的JavaScript文件，这个新的线程和JavaScript的主线程之间并不会互相影响和阻塞执行，而且在Web Worker中提供了这个新线程和JavaScript主线程之间数据交换的接口：postMessage和onMessage事件。但在HTML5 Web Worker中是不能操作DOM的，任何需要操作DOM的任务都需要委托给JavaScript主线程来执行，所以虽然引入HTML5 Web Worker，但仍然没有改线JavaScript单线程的本质。

二、并发模式与Event Loop

JavaScript 有个基于“Event Loop”（事件循环）并发的模型。

啊，并发？不是说 JavaScript是单线程吗？ 没错，的确是单线程，但是并发与并行是有区别的。前者是逻辑上的同时发生，而后者是物理上的同时发生。所以，单核处理器也能实现并发。

上图中，主线程运行的时候，产生堆（heap）和栈（stack），栈中的代码调用各种外部API，它们在”任务队列”中加入各种事件（click，load，done）。只要栈中的代码执行完毕，主线程就会去读取”任务队列”，依次执行那些事件所对应的回调函数。

所谓”回调函数”（callback），就是那些会被主线程挂起来的代码。异步任务必须指定回调函数，当主线程开始执行异步任务，就是执行对应的回调函数。

执行栈中的代码（同步任务），总是在读取”任务队列”（异步任务）之前执行。

Stack（栈）

这里放着JavaScript正在执行的任务。每个任务被称为帧（stack of frames）。

function f(b){
  var a = 12;
  return a+b+35;
}

function g(x){
  var m = 4;
  return f(m*x);
}

g(21);//131

上述代码调用 g 时，创建栈的第一帧，该帧包含了 g 的参数和局部变量。当 g 调用 f 时，第二帧就会被创建，并且置于第一帧之上，当然，该帧也包含了 f 的参数和局部变量。当 f 返回时，其对应的帧就会出栈。同理，当 g 返回时，栈就为空了（栈的特定就是后进先出 Last-in first-out (LIFO)）。

Heap（堆）

一个用来表示内存中一大片非结构化区域的名字，对象都被分配在这。

Queue（队列）

一个 JavaScript runtime 包含了一个任务队列，该队列是由一系列待处理的任务组成。而每个任务都有相对应的函数。当栈为空时，就会从任务队列中取出一个任务，并处理之。该处理会调用与该任务相关联的一系列函数（因此会创建一个初始栈帧）。当该任务处理完毕后，栈就会再次为空。（Queue的特点是先进先出 First-in First-out (FIFO)）。

三、定时器

定时器功能主要由setTimeout()和setInterval()这两个函数来完成，它们的内部运行机制完全一样，区别在于前者指定的代码是一次性执行，后者则为反复执行，即它们的第二个参数是指定其回调函数推迟\每隔多少毫秒数后执行。

对于第二个参数有以下需要注意的地方：

• 当第二个参数缺省时，默认为0；
• 在html5中规定，当指定的值小于4毫秒，则增加到4ms；对于2010年及之前的浏览器则是10ms。

以下主要讨论setTimeout()。

console.log(1);
setTimeout(function(){
    console.log(2);
},10);
console.log(3);// 输出：1 3 2

当setTimeout()的第二个参数设为0时，表示当前代码执行完（执行栈清空）以后，立即执行（0毫秒间隔）指定的回调函数。

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

因为只有在执行完第二行以后，系统才会去执行”任务队列”中的回调函数。

总之，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，也就是说，尽可能早得执行。它在”任务队列”的尾部添加一个事件，因此要等到同步任务和”任务队列”现有的事件都处理完，才会得到执行。

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。

四、浏览器是多线程

虽然JS运行在浏览器中，是单线程的，每个window一个JS线程，但浏览器的内核是多线程的，它们在内核制控下相互配合以保持同步不是单线程的，例如Webkit或是Gecko引擎，都可能有如下线程：

• javascript引擎线程

javascript引擎是基于事件驱动单线程执行的，JS引擎一直等待着任务队列中任务的到来，然后加以处理，浏览器无论什么时候都只有一个JS线程在运行JS程序。

• 界面渲染线程

  GUI渲染线程负责渲染浏览器界面，当界面需要重绘（Repaint）或由于某种操作引发回流(reflow)时,该线程就会执行。但需要注意GUI渲染线程与JS引擎是互斥的，当JS引擎执行时GUI线程会被挂起，GUI更新会被保存在一个队列中等到JS引擎空闲时立即被执行。

• 浏览器事件触发线程

  浏览器事件触发线程 事件触发线程，当一个事件被触发时该线程会把事件添加到“任务队列”的队尾，等待JS引擎的处理。这些事件可来自JavaScript引擎当前执行的代码块如setTimeOut、也可来自浏览器内核的其他线程如鼠标点击、AJAX异步请求等，但由于JS是单线程执行的，所有这些事件都得排队等待JS引擎处理。

• Http请求线程

  对于Ajax的请求也需要特殊线程来执行，当需要发送一个Ajax请求时，浏览器会开辟一个新的线程来执行HTTP的请求，它并不会阻塞JavaScript线程的执行，当HTTP请求状态变更时，相应事件会被作为回调放入到“任务队列”中等待被执行。

Ajax异步请求是否真的异步?

其实请求确实是异步的，这请求是由浏览器新开一个线程请求（见前面的浏览器多线程）。当请求的状态变更时，如果先前已设置回调，这异步线程就产生状态变更事件放到 JavaScript引擎的事件处理队列中等待处理。当浏览器空闲的时候出队列任务被处理，JavaScript引擎始终是单线程运行回调函数。javascript引擎确实是单线程处理它的任务队列，能理解成就是普通函数和回调函数构成的队列。
总结一下，Ajax请求确实是异步的，这请求是由浏览器新开一个线程请求，事件回调的时候是放入Event loop单线程事件队列等候处理。

看看下面代码：

document.onclick = function(){
    console.log("click")
}

for(var i = 0; i< 100000000; i++);

解释一下代码：首先向document注册了一个click事件，然后就执行了一段耗时的for循环，在这段for循环结束前，你可以尝试点击页面。当耗时操作结束后，console控制台就会输出之前点击事件的”click”语句。这视乎证明了点击事件（也包括其它各种事件）是由额外单独的线程触发的，事件触发后就会将回调函数放进了“任务队列”的末尾，等待着JavaScript主线程的执行。

五、Node.js的Event Loop

Node.js也是单线程的Event Loop，但是它的运行机制不同于浏览器环境。

根据上图，Node.js的运行机制如下：

• V8引擎解析JavaScript脚本。
• 解析后的代码，调用Node API。
• libuv库负责Node API的执行。它将不同的任务分配给不同的线程，形成一个Event Loop（事件循环），以异步的方式将任务的执行结果返回给V8引擎。
• V8引擎再将结果返回给用户。

除了setTimeout和setInterval这两个方法，Node.js还提供了另外两个与”任务队列”有关的方法：process.nextTick和setImmediate。

process.nextTick方法可以在当前”执行栈”的尾部—-下一次Event Loop（主线程读取”任务队列”）之前—-触发回调函数。也就是说，它指定的任务总是发生在所有异步任务之前。

setImmediate方法则是在当前”任务队列”的尾部添加事件，也就是说，它指定的任务总是在下一次Event Loop时执行，这与setTimeout(fn, 0)很像。