从Javascript单线程谈Event Loop

2022-10-27 15:14:39

假如面试回答js的运行机制时，你可能说出这么一段话：“Javascript的事件分同步任务和异步任务，遇到同步任务就放在执行栈中执行，而碰到异步任务就放到任务队列之中，等到执行栈执行完毕之后再去执行任务队列之中的事件。”但你能说出背后的原因吗？

先理解相关概念

线程与进程

进程：是系统资源分配和调度的单元。一个运行着的程序就对应了一个进程。一个进程包括了运行中的程序和程序所使用到的内存和系统资源。

线程：线程是进程下的执行者，一个进程至少会开启一个线程（主线程），也可以开启多个线程。

同步和异步

同步和异步关注的是：消息（结果）通信机制

同步：发出调用后，在没有得到结果前，该调用不返回。但是一旦调用返回，就得到返回值

异步：发出调用后，调用直接返回，没有返回结果。但结果由回调函数给出，至于什么时候给出，不知道。（这个回调函数肯定是在当前js执行完后才执行）

阻塞与非阻塞

阻塞和非阻塞关注的是：程序在等待调用结果时的状态.

阻塞调用：调用结果返回之前，当前线程被挂起。调用线程只有在得到结果后才会返回。
非阻塞调用：在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程。

为什么JavaScript是单线程？

JavaScript是单线程，程序按照顺序排列，前面的必须处理好，后面的才会执行。JavaScript的设计初衷是作为浏览器脚本语言，主要是简单用户交互、操作DOM等，所以这门语言要围绕单线程来设计，否则出现复杂的同步问题。

由于JavaScript是单线程的，对于耗时的或者时间不确定的操作，我们可以使用异步编程，因为异步可以实现非阻塞操作。当然也可以用HTML5标准的Web Worker。本文不作讨论，详细参考MDN文档：点击这里

既然js是单线程执行的，那谁去轮询大的任务队列？这不矛盾了吗？

Js的单线程与异步矛盾吗？

不矛盾！！！首先记住这句话：Js执行是单线程，但浏览器是多线程。

1）JS的单线程

一个浏览器进程中只有一个JS的执行线程，同一时刻内只会有一段代码在执行

2）浏览器是多线程

查阅资料，有些文章也说是模块，本文就以浏览器是多线程来说，它有以下常驻线程：

渲染引擎线程：负责页面的渲染

JS引擎线程：负责JS的解析和执行（本文说的主线程就指js引擎线程）

定时器触发线程：处理定时事件，比如setTimeout, setInterval

事件触发线程：处理DOM事件

异步http请求线程：处理http请求

......

浏览器是Js的使用场景，浏览器本身是典型的 GUI 工作线程（GUI 工作线程在绝大多数系统中都实现为事件处理，避免阻塞交互）。故浏览器是事件驱动的（Event driven），浏览器中很多行为是异步，会创建事件并放入任务队列中。

由于Javascript 是单线程，它需要借助异步完成耗时或者时间不确定的操作，这些操作由浏览器的其它线程执行，这形成了异步事件驱动。异步事件驱动往往由浏览器的两个或以上常驻线程共同完成的。例如ajax异步请求是由JS执行线程和异步http请求线程，事件触发线程共同完成的。

事件循环机制（Event Loop）

任务队列（消息队列）

任务队列是一个先进先出的数据结构，当主线程执行栈一清空，任务队列的回调函数就自动进入主线程。任务分成两种：

1、同步任务：在主线程上排队执行的任务。只有执行完当前任务，才能执行后一个任务。

2、异步任务：该任务不进入主线程、而进入任务队列。当执行栈清空后，才去执行任务队列中的任务。

异步执行的运行机制

由于JavaScript只能一次执行一段代码（由于其单线程性质），这些代码块中的每一个都“阻止”其他异步事件的进度。这意味着当异步事件发生时（如鼠标点击，定时器触发或XMLHttpRequest完成），它将排队等待稍后执行（这种排队实际发生的确定会因浏览器到浏览器而异）。

1、所有同步任务都在主线程上执行，形成一个执行栈。

2、当遇到异步任务时（IO设备操作等），就在任务队列中添加一个事件，这个事件对应着该异步任务的回调函数。

3、执行栈中的所有同步任务执行完毕，系统就会读取任务队列，进入执行栈，开始执行。

4、主线程不断重复第三步。这就形成了事件循环

结论：Javascript的事件分同步任务和异步任务，遇到同步任务就放在执行栈中执行，而碰到异步任务就放到任务队列之中，等到执行栈执行完毕之后再去执行任务队列之中的事件。

事件和回调函数的概念必要说明

工作线程：是本文对除了js引擎线程之外的其它线程的统称
回调函数：在一个函数中调用另外一个函数。这里指异步场景下为了非阻塞那些被主线程挂起来的代码。
主线程读取任务队列，就是读取里面有哪些事件，执行对应的回调函数。

工作线程完成一项任务，就向任务队列中添加一个事件。这里的完成任务是指完成操作（click、mouse、touch，ajax的数据完全请求回来......），并非指执行它的回调函数

a.onclick = function () {

  console.log("roro")

}

如上段代码，仅是操作了click，但并没有执行回调函数打印roro

事件循环

事件循环是：主线程重复从任务队列中取消息（事件），执行对应回调函数的过程。

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）。只要执行引擎栈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。

定时器

首先参考这篇外国人的文章：how-javascript-timers-work，定时器的执行原理及细节。

setTimeout()怎么执行？

setTimeout(function () {

  console.log('a');

}, 5000)

Javascript执行引擎（主线程）运行的时候，产生堆和栈。程序中代码依次进入栈中等待执行，当调用setTimeout()方法时，在浏览器的定时器线程下处理延时方法，当setTimeout方法执行5秒后，到达触发条件，方法被添加到用于回调的任务队列。

当执行引擎的执行栈为空，执行引擎开始轮询检查任务队列是否有任务需要被执行，当检查到已经符合执行条件的延时方法时，将延时方法console.log('a')压入执行栈，引擎发现调用了log()方法，于是又将log()方法入栈。然后对执行栈依次出栈执行，输出‘a’，清空执行栈，整个执行完毕。

setTimeout(fn，0)是立即执行吗？

在javascript权威指南中：当setTimeout的延迟时间设置为0的时候，回调函数不会马上执行，而是进入事件队列。

btn.onclick = function () {

  setTimeout(function () {

    console.log('a')

  }, 0);

}

setTimeout(fn,0)的含义是：指定某个任务在主线程的空闲时间下，尽可能早地执行。它被添加进任务队列，因此要等到同步任务和任务队列中的前一个事件都处理完，才会执行。

HTML5标准规定了setTimeout()的第二个参数的最小值不得低于4ms，如果低于这个值，就会自动增加。老版本的浏览器允许最短间隔设为10ms。详细参考MDN文档：最小延迟和超时嵌套

所以setTimeout(fn,0)并不是立即执行。假若你想实现0ms 的timeout可以用window.postMessage()，本文不作讨论。

两道经典的面试题：

一）以下代码输出什么？

function foo() {

  console.log('a')

  setTimeout(function () {

    console.log('b');

  }, 500)

}

for (let i = 0; i < 10000; i++) {

  foo()

}

执行结果：首先全部输出a，中间等待500ms，然后全部输出b。上图是个人理解，不恰当的地方请指出！

二）ajax异步请求是否真的异步?

1、JS的执行线程（主线程）发起异步请求，浏览器会开一条新的HTTP请求线程来执行请求，继续执行栈中剩下的任务，

2、在新线程（HTTP请求线程）中，在执行请求的同时，浏览器会正常处理其他任务的执行。

3、在未来的某一时刻，当数据完全请求回来以后，事件触发线程监视到之前发起的HTTP请求已完成，会将指定的回调函数放入任务队列中。

4、当浏览器执行栈空闲时，去扫描任务队列中的回调函数，依次压入执行栈中处理。

所以：ajax请求是异步。由浏览器新开一个线程请求，事件回调的时候放入Event loop任务队列等候处理。详细的例子，可以参考MDN文档对ajax的描述：同步和异步

误解：事件循环类似栈或队列

这里顺带提一下：事件循环虽然涉及到类似队列的结构，并不是采用栈的方式处理任务。事件循环作为一个进程被划分为多个阶段，每个阶段处理一些特定任务，各阶段轮询调度。这些阶段可以是定时器处理，dom事件处理，ajax异步处理......

结语

JavaScript引擎只有一个线程，强制异步事件排队等待执行，Javascript语言的事件循环，是浏览器的处理和行为。另外，本文是我个人的学习笔记，通篇结合个人的理解，在某些地方表述不严谨，如有错误，希望指出。

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