JavaScript 運行機制

閱讀目錄

一、為什么JavaScript是單線程？
二、任務隊列
三、事件和回調函數
四、Event Loop
五、定時器
六、Node.js的Event Loop
七、關于setTimeout的測試

一、為什么JavaScript是單線程？

JavaScript語言是單線程，也就是說，同一個時間只能做一件事。

JavaScript的單線程，與它的用途有關。作為瀏覽器腳本語言，JavaScript的主要用途是與用戶互動，以及操作DOM。這決定了它只能是單線程，否則會帶來很復雜的同步問題。比如，假定JavaScript同時有兩個線程，一個線程在某個DOM節點上添加內容，另一個線程刪除了這個節點，這時瀏覽器應該以哪個線程為準？

所以，為了避免復雜性，從一誕生，JavaScript就是單線程，這已經成了這門語言的核心特征，將來也不會改變。

為了利用多核CPU的計算能力，HTML5提出Web Worker標準，允許JavaScript腳本創建多個線程，但是子線程完全受主線程控制，且不得操作DOM。所以，這個新標準并沒有改變JavaScript單線程的本質。

二、任務隊列

單線程就意味著，所有任務需要排隊，前一個任務結束，才會執行后一個任務。如果前一個任務耗時很長，后一個任務就不得不一直等著。

如果排隊是因為計算量大，CPU忙不過來，倒也算了，但是很多時候CPU是閑著的，因為IO設備（輸入輸出設備）很慢（比如Ajax操作從網絡讀取數據），不得不等著結果出來，再往下執行。

JavaScript語言的設計者意識到，這時主線程完全可以不管IO設備，掛起處于等待中的任務，先運行排在后面的任務。等到IO設備返回了結果，再回過頭，把掛起的任務繼續執行下去。

于是，所有任務可以分成兩種，一種是同步任務（synchronous），另一種是異步任務（asynchronous）。同步任務指的是，在主線程上排隊執行的任務，只有前一個任務執行完畢，才能執行后一個任務；異步任務指的是，不進入主線程、而進入"任務隊列"（task queue）的任務，只有"任務隊列"通知主線程，某個異步任務可以執行了，該任務才會進入主線程執行。

任務的執行實質上分為兩步：①.執行，②.獲取執行結果。??

具體來說，異步執行的運行機制如下。（同步執行也是如此，因為它可以被視為沒有任務隊列的異步執行。）

（1）所有同步任務都在主線程上執行，形成一個執行棧（execution context stack）。
（2）主線程之外，還存在一個"任務隊列"（taskqueue）。只要異步任務有了運行結果，就在"任務隊列"之中放置一個相應的回調函數。
（3）一旦"執行棧"中的所有同步任務執行完畢，系統就會讀取"任務隊列"，看看里面有哪些事件。那些對應的異步任務，于是結束等待狀態，進入執行棧，開始執行。
（4）主線程不斷重復上面的第三步。

同步執行：執行后等待直到獲取執行結果；

異步執行：執行后不等待，而是通過一系列手段（輪詢、事件監聽和event loop等）獲取執行結果，而在執行后和獲取結果前的那段時間可以介入其他任務操作。

三、事件和回調函數

"任務隊列"是一個事件的隊列（也可以理解成消息的隊列），IO設備完成一項任務，就在"任務隊列"中添加一個事件，表示相關的異步任務可以進入"執行棧"了。主線程讀取"任務隊列"，就是讀取里面有哪些事件。

"任務隊列"中的事件，除了IO設備的事件以外，還包括一些用戶產生的事件（比如鼠標點擊、頁面滾動等等）。只要指定過回調函數，這些事件發生時就會進入"任務隊列"，等待主線程讀取。

所謂"回調函數"（callback），就是那些會被主線程掛起來的代碼。異步任務必須指定回調函數，當主線程開始執行異步任務，就是執行對應的回調函數。

"任務隊列"是一個先進先出的數據結構，排在前面的事件，優先被主線程讀取。主線程的讀取過程基本上是自動的，只要執行棧一清空，"任務隊列"上第一位的事件就自動進入主線程。但是，由于存在后文提到的"定時器"功能，主線程首先要檢查一下執行時間，某些事件只有到了規定的時間，才能返回主線程。

異步任務補充

onclick等：由瀏覽器內核的 DOM Binding 模塊來處理，當事件觸發的時候，回調函數會立即添加到任務隊列中。
setTimeout（setInterval）：會由瀏覽器內核的 timer 模塊來進行延時處理，當時間到達的時候，才會將回調函數添加到任務隊列中。這跟之后與setImmediate執行比較有關
ajax： 會由瀏覽器內核的 network 模塊來處理，在網絡請求完成返回之后，才將回調添加到任務隊列中。

四、Event Loop

主線程運行的時候，產生堆（heap）和棧（stack），棧中的代碼調用各種外部API，它們在"任務隊列"中加入各種事件（click，load，done）。只要棧中的代碼執行完畢，主線程就會去讀取"任務隊列"，依次執行那些事件所對應的回調函數。

執行棧中的代碼（同步任務），總是在讀取"任務隊列"（異步任務）之前執行。請看下面這個例子。

var req = new XMLHttpRequest();
req.open('GET', url);
req.onload = function (){};
req.onerror = function (){};
req.send();

上面代碼中的req.send方法是Ajax操作向服務器發送數據，它是一個異步任務，意味著只有當前腳本的所有代碼執行完，系統才會去讀取"任務隊列"。所以，它與下面的寫法等價。

var req = new XMLHttpRequest();
req.open('GET', url);
req.send();
req.onload = function (){};
req.onerror = function (){};

也就是說，指定回調函數的部分（onload和onerror），在send()方法的前面或后面無關緊要，因為它們屬于執行棧的一部分，系統總是執行完它們，才會去讀取"任務隊列"。

五、定時器

除了放置異步任務的事件，"任務隊列"還可以放置定時事件，即指定某些代碼在多少時間之后執行。這叫做"定時器"（timer）功能，也就是定時執行的代碼。

定時器功能主要由setTimeout()和setInterval()這兩個函數來完成，它們的內部運行機制完全一樣，區別在于前者指定的代碼是一次性執行，后者則為反復執行。以下主要討論setTimeout()。

setTimeout()接受兩個參數，第一個是回調函數，第二個是推遲執行的毫秒數。

console.log(1);
setTimeout(function(){console.log(2);},1000);
console.log(3);

上面代碼的執行結果是1，3，2；與下邊的對比

console.log(1);
setTimeout(function(){console.log(2);},0);
console.log(3);

執行結果也是1，3，2。說明setTimeout()的回調函數被掛起了，當執行棧的代碼執行完之后，才會執行。

看看下邊：

console.log(1);
setTimeout(function(){console.log(4);},0);
setTimeout(function(){console.log(2);},100);
console.log(3);

執行的結果是1,3,4,2；與下邊的對比

console.log(1);
setTimeout(function(){console.log(4);},0);
setTimeout(function(){console.log(2);},0);
console.log(3);

執行的結果還是1,3,4,2。說明任務隊列是按照先進先出的順序執行的。

HTML5標準規定了setTimeout()的第二個參數的最小值（最短間隔），不得低于4毫秒，如果低于這個值，就會自動增加。在此之前，老版本的瀏覽器都將最短間隔設為10毫秒。另外，對于那些DOM的變動（尤其是涉及頁面重新渲染的部分），通常不會立即執行，而是每16毫秒執行一次。這時使用requestAnimationFrame()的效果要好于setTimeout()。

需要注意的是，setTimeout()只是將事件插入了"任務隊列"，必須等到當前代碼（執行棧）執行完，主線程才會去執行它指定的回調函數。要是當前代碼耗時很長，有可能要等很久，所以并沒有辦法保證，回調函數一定會在setTimeout()指定的時間執行。請看下面這個例子。

var startTime = new Date();
console.log(new Date().getTime());
setTimeout(function () {console.log(new Date().getTime());console.log(new Date() - startTime)
},100)

執行結果是：

1498962204851
1498962204959
160

六、Node.js的Event Loop

Node.js也是單線程的Event Loop，但是它的運行機制不同于瀏覽器環境。

請看下面的示意圖（作者@BusyRich）。

根據上圖，Node.js的運行機制如下。

（1）V8引擎解析JavaScript腳本。
（2）解析后的代碼，調用Node API。
（3）libuv庫負責Node
API的執行。它將不同的任務分配給不同的線程，形成一個Event Loop（事件循環），以異步的方式將任務的執行結果返回給V8引擎。
（4）V8引擎再將結果返回給用戶。

除了setTimeout和setInterval這兩個方法，Node.js還提供了另外兩個與"任務隊列"有關的方法：process.nextTick和setImmediate。它們可以幫助我們加深對"任務隊列"的理解。

process.nextTick方法可以在當前"執行棧"的尾部觸發回調函數。也就是說，它指定的任務總是在當前執行棧清空之后執行。setImmediate方法則是在當前"任務隊列"的尾部添加事件，也就是說，它指定的任務總是在下一次Event Loop時執行，這與setTimeout(fn, 0)很像。請看下面的例子（via?StackOverflow）。

process.nextTick(function A() {console.log(1);process.nextTick(function B(){console.log(2);});
});
setTimeout(function timeout() {console.log('TIMEOUT FIRED');
}, 0)

執行結果：

1
2
TIMEOUT FIRED

上面代碼中，由于process.nextTick方法指定的回調函數，總是在當前"執行棧"的尾部觸發，所以不僅函數A比setTimeout指定的回調函數timeout先執行，而且函數B也比timeout先執行。這說明，如果有多個process.nextTick語句（不管它們是否嵌套），將全部在當前"執行棧"執行。

現在，再看setImmediate。

setImmediate(function A() {console.log(1);setImmediate(function B(){console.log(2);});
});
setTimeout(function timeout() {console.log('TIMEOUT FIRED');
}, 0);

多次執行結果（T.T修改）：

TIMEOUT FIRED
1
2

與下邊的對比：

setTimeout(function timeout() {console.log('TIMEOUT FIRED');
}, 10);

多次執行結果：

1
TIMEOUT FIRED
2

再與下邊的對比：

setTimeout(function timeout() {console.log('TIMEOUT FIRED');
}, 1000);

多次執行結果：

1
2
TIMEOUT FIRED

好像跟說的對不上。但是想想又對。結合這句話setTimeout再來看。

（T.T添加）setTimeout和setInterval的運行機制是，將指定的代碼移出本次執行，等到下一輪Event Loop前，再檢查是否到了指定時間。如果到了，就執行對應的代碼；如果不到，就等到再下一輪Event Loop時重新判斷。這意味著，setTimeout指定的代碼，必須等到本次執行的所有代碼都執行完，才會執行。

（T.T添加）每一輪Event Loop時，都會將“任務隊列”中需要執行的任務，一次執行完。setTimeout和setInterval都是把任務添加到“任務隊列”的尾部。因此，它們實際上要等到當前腳本的所有同步任務執行完，然后再等到本次Event Loop的“任務隊列”的所有任務執行完，才會開始執行。由于前面的任務到底需要多少時間執行完，是不確定的，所以沒有辦法保證，setTimeout和 setInterval指定的任務，一定會按照預定時間執行。

（T.T添加）分析一下,timeout的執行先后跟著延時改變，

延時為0，第一執行，檢測到時機已到，直接執行；setImmediate要檢查棧是否清空，就比timeout慢了一拍
延時為10，第二執行，第一次完成檢查棧是否清空時，時間還不到10ms，然后執行輸出了1，第二次完成檢查棧是否清空，時間就已經超過10ms，即先timeout輸出，然后2
延時為100，第三執行，兩次完成檢查是否清空棧都在100ms之前，先輸出1,2，在執行timeout

測試setImmediate檢查延時一次約1ms--2ms。

由于setTimeout存在時間精度，因此setTimeout(handler,0)中setTimeout事件插入事件隊列的延時必定大于0ms，而handler的執行延時則更大了。具體為IE5~8和不插電源的IE9的時間精度為15.6ms，插電源的IE9和其他瀏覽器則為4ms。跟（五、定時器）的說法一致

七、關于setTimeout的測試

for (var i = 0; i < 5; i++) {console.log(i);
}

for (var i = 0; i < 5; i++) {setTimeout(function() {console.log(i);}, 1000 * i);
}

for (var i = 0; i < 5; i++) {(function(i) {setTimeout(function() {console.log(i);}, i * 1000);})(i);
}

for (var i = 0; i < 5; i++) {(function() {setTimeout(function() {console.log(i);}, i * 1000);})(i);
}

for (var i = 0; i < 5; i++) {setTimeout((function(i) {console.log(i);})(i), i * 1000);
}

setTimeout(function() {console.log(1)
}, 0);
new Promise(function executor(resolve) {console.log(2);for( var i=0 ; i<10000 ; i++ ) {i == 9999 && resolve();}console.log(3);
}).then(function() {console.log(4);
});
console.log(5);