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Event Loop详解

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本文是弄懂Event Loop的删改版，去除了原文中一些容易引起歧义的部分，对一些内容进行了扩充

前言

Event Loop即事件循环，是指浏览器或Node的一种解决javaScript单线程运行时不会阻塞的一种机制，也就是我们经常使用异步的原理。

为啥要弄懂Event Loop

  • 是要增加自己技术的深度，也就是懂得JavaScript的运行机制。
  • 现在在前端领域各种技术层出不穷，掌握底层原理，可以让自己以不变，应万变。
  • 应对各大互联网公司的面试，懂其原理，题目任其发挥。

栈、队列的基本概念

栈（Stack）

栈在计算机科学中是限定仅在表尾进行插入或删除操作的线性表。 栈是一种数据结构，它按照后进先出的原则存储数据，先进入的数据被压入栈底，最后的数据在栈顶，需要读数据的时候从栈顶开始弹出数据。
栈是只能在某一端插入和删除的特殊线性表。

队列（Queue）

特殊之处在于它只允许在表的前端（front）进行删除操作，而在表的后端（rear）进行插入操作，和栈一样，队列是一种操作受限制的线性表。
进行插入操作的端称为队尾，进行删除操作的端称为队头。 队列中没有元素时，称为空队列。
队列的数据元素又称为队列元素。在队列中插入一个队列元素称为入队，从队列中删除一个队列元素称为出队。因为队列只允许在一端插入，在另一端删除，所以只有最早进入队列的元素才能最先从队列中删除，故队列又称为先进先出（FIFO—first in first out）

Event Loop

在JavaScript中，任务被分为两种，一种宏任务（MacroTask）也叫Task，一种叫微任务（MicroTask）。

MacroTask（宏任务）

  • script全部代码、setTimeout、setInterval、setImmediate（浏览器暂时不支持，只有IE10支持，具体可见MDN）、I/O、UI Rendering。

MicroTask（微任务）

  • Process.nextTick（Node独有）、Promise、Object.observe(废弃)、MutationObserver（具体使用方式查看这里）

浏览器中的Event Loop

Javascript 有一个 main thread 主线程和 call-stack 调用栈(执行栈)，所有的任务都会被放到调用栈等待主线程执行。

JS调用栈

JS调用栈采用的是后进先出的规则，当函数执行的时候，会被添加到栈的顶部，当执行栈执行完成后，就会从栈顶移出，直到栈内被清空。

同步任务和异步任务

Javascript单线程任务被分为同步任务和异步任务，同步任务会在调用栈中按照顺序等待主线程依次执行，异步任务会在异步任务有了结果后，将注册的回调函数放入任务队列中等待主线程空闲的时候（调用栈被清空），被读取到栈内等待主线程的执行。
任务队列Task Queue，即队列，是一种先进先出的一种数据结构。

事件循环的进程模型

  • 选择当前要执行的任务队列，选择任务队列中最先进入的任务，如果任务队列为空即null，则执行跳转到微任务（MicroTask）的执行步骤。
  • 将事件循环中的任务设置为已选择任务。
  • 执行任务。
  • 将事件循环中当前运行任务设置为null。
  • 将已经运行完成的任务从任务队列中删除。
  • microtasks步骤：进入microtask检查点。
  • 更新界面渲染。
  • 返回第一步。

执行进入microtask检查点时，用户代理会执行以下步骤：

  • 设置microtask检查点标志为true。
  • 当事件循环microtask执行不为空时：选择一个最先进入的microtask队列的microtask，将事件循环的microtask设置为已选择的microtask，运行microtask，将已经执行完成的microtask为null，移出microtask中的microtask。
  • 清理IndexDB事务
  • 设置进入microtask检查点的标志为false。

上述可能不太好理解，下图是我做的一张图片。

执行栈在执行完同步任务后，查看执行栈是否为空，如果执行栈为空，就会去检查微任务(microTask)队列是否为空，如果为空的话，就执行Task（宏任务），否则就一次性执行完所有微任务。
每次单个宏任务执行完毕后，检查微任务(microTask)队列是否为空，如果不为空的话，会按照先入先出的规则全部执行完微任务(microTask)后，设置微任务(microTask)队列为null，然后再执行宏任务，如此循环。

举个例子

console.log('script start');
setTimeout(function() {
  console.log('setTimeout');
}, 0);
Promise.resolve().then(function() {
  console.log('promise1');
}).then(function() {
  console.log('promise2');
});
console.log('script end');

首先我们划分几个分类：

第一次执行：

Tasks：run script、 setTimeout callback
Microtasks：Promise then	
JS stack: script	
Log: script start、script end。

执行同步代码，将宏任务（Tasks）和微任务(Microtasks)划分到各自队列中。

第二次执行：

Tasks：run script、 setTimeout callback
Microtasks：Promise2 then	
JS stack: Promise2 callback	
Log: script start、script end、promise1、promise2

执行宏任务后，检测到微任务(Microtasks)队列中不为空，执行Promise1，执行完成Promise1后，调用Promise2.then，放入微任务(Microtasks)队列中，再执行Promise2.then。

第三次执行：

Tasks：setTimeout callback
Microtasks：	
JS stack: setTimeout callback
Log: script start、script end、promise1、promise2、setTimeout

当微任务(Microtasks)队列中为空时，执行宏任务（Tasks），执行setTimeout callback，打印日志。

第四次执行：

Tasks：setTimeout callback
Microtasks：	
JS stack: 
Log: script start、script end、promise1、promise2、setTimeout

清空Tasks队列和JS stack。
以上执行帧动画可以查看Tasks, microtasks, queues and schedules
或许这张图也更好理解些。

再举个例子

console.log('script start')
async function async1() {
  await async2()
  console.log('async1 end')
}
async function async2() {
  console.log('async2 end') 
}
async1()
setTimeout(function() {
  console.log('setTimeout')
}, 0)
new Promise(resolve => {
  console.log('Promise')
  resolve()
})
  .then(function() {
    console.log('promise1')
  })
  .then(function() {
    console.log('promise2')
  })
console.log('script end')

这里需要先理解async/await。
async/await 在底层转换成了 promise 和 then 回调函数。
也就是说，这是 promise 的语法糖。
每次我们使用 await, 解释器都创建一个 promise 对象，然后把剩下的 async 函数中的操作放到 then 回调函数中。
async/await 的实现，离不开 Promise。从字面意思来理解，async 是“异步”的简写，而 await 是 async wait 的简写可以认为是等待异步方法执行完成。

关于73以下版本和73版本的区别

  • 在老版本版本以下，先执行promise1和promise2，再执行async1。
  • 在73版本，先执行async1再执行promise1和promise2。

主要原因是因为在谷歌(金丝雀)73版本中更改了规范，如下图所示：

  • 区别在于RESOLVE(thenable)和之间的区别Promise.resolve(thenable)。

在老版本中

  • 首先，传递给 await 的值被包裹在一个 Promise 中。然后，处理程序附加到这个包装的 Promise，以便在 Promise 变为 fulfilled 后恢复该函数，并且暂停执行异步函数，一旦 promise 变为 fulfilled，恢复异步函数的执行。
  • 每个 await 引擎必须创建两个额外的 Promise（即使右侧已经是一个 Promise）并且它需要至少三个 microtask 队列 ticks（tick为系统的相对时间单位，也被称为系统的时基，来源于定时器的周期性中断（输出脉冲），一次中断表示一个tick，也被称做一个“时钟滴答”、时标。）。

引用贺老师知乎上的一个例子

async function f() {
  await p
  console.log('ok')
}

简化理解为：

function f() {
  return RESOLVE(p).then(() => {
    console.log('ok')
  })
}
  • 如果 RESOLVE(p) 对于 p 为 promise 直接返回 p 的话，那么 p的 then 方法就会被马上调用，其回调就立即进入 job 队列。
  • 而如果 RESOLVE(p) 严格按照标准，应该是产生一个新的 promise，尽管该 promise确定会 resolve 为 p，但这个过程本身是异步的，也就是现在进入 job 队列的是新 promise的 resolve过程，所以该 promise 的 then 不会被立即调用，而要等到当前 job 队列执行到前述 resolve 过程才会被调用，然后其回调（也就是继续 await 之后的语句）才加入 job 队列，所以时序上就晚了。

谷歌（金丝雀）73版本中

  • 使用对PromiseResolve的调用来更改await的语义，以减少在公共awaitPromise情况下的转换次数。
  • 如果传递给 await 的值已经是一个 Promise，那么这种优化避免了再次创建 Promise 包装器，在这种情况下，我们从最少三个 microtick 到只有一个 microtick。

详细过程：

73以下版本

  • 首先，打印script start，调用async1()时，返回一个Promise，所以打印出来async2 end。
  • 每个 await，会新产生一个promise,但这个过程本身是异步的，所以该await后面不会立即调用。
  • 继续执行同步代码，打印Promise和script end，将then函数放入微任务队列中等待执行。
  • 同步执行完成之后，检查微任务队列是否为null，然后按照先入先出规则，依次执行。
  • 然后先执行打印promise1,此时then的回调函数返回undefinde，此时又有then的链式调用，又放入微任务队列中，再次打印promise2。
  • 再回到await的位置执行返回的 Promise 的 resolve 函数，这又会把 resolve 丢到微任务队列中，打印async1 end。
  • 当微任务队列为空时，执行宏任务,打印setTimeout。

谷歌（金丝雀73版本）

  • 如果传递给 await 的值已经是一个 Promise，那么这种优化避免了再次创建 Promise 包装器，在这种情况下，我们从最少三个 microtick 到只有一个 microtick。
  • 引擎不再需要为 await 创造 throwaway Promise - 在绝大部分时间。
  • 现在 promise 指向了同一个 Promise，所以这个步骤什么也不需要做。然后引擎继续像以前一样，创建 throwaway Promise，安排 PromiseReactionJob 在 microtask 队列的下一个 tick 上恢复异步函数，暂停执行该函数，然后返回给调用者。

具体详情查看（这里）。

NodeJS的Event Loop


Node中的Event Loop是基于libuv实现的，而libuv是 Node 的新跨平台抽象层，libuv使用异步，事件驱动的编程方式，核心是提供i/o的事件循环和异步回调。libuv的API包含有时间，非阻塞的网络，异步文件操作，子进程等等。 Event Loop就是在libuv中实现的。

Node的Event loop一共分为6个阶段，每个细节具体如下：

  • timers: 执行setTimeout和setInterval中到期的callback。
  • pending callback: 上一轮循环中少数的callback会放在这一阶段执行。
  • idle, prepare: 仅在内部使用。
  • poll: 最重要的阶段，执行pending callback，在适当的情况下回阻塞在这个阶段。
  • check: 执行setImmediate(setImmediate()是将事件插入到事件队列尾部，主线程和事件队列的函数执行完成之后立即执行setImmediate指定的回调函数)的callback。
  • close callbacks: 执行close事件的callback，例如socket.on('close'[,fn])或者http.server.on('close, fn)。

具体细节如下：

timers

执行setTimeout和setInterval中到期的callback，执行这两者回调需要设置一个毫秒数，理论上来说，应该是时间一到就立即执行callback回调，但是由于system的调度可能会延时，达不到预期时间。
以下是官网文档解释的例子：

const fs = require('fs');
function someAsyncOperation(callback) {
  // Assume this takes 95ms to complete
  fs.readFile('/path/to/file', callback);
}
const timeoutScheduled = Date.now();
setTimeout(() => {
  const delay = Date.now() - timeoutScheduled;
  console.log(`${delay}ms have passed since I was scheduled`);
}, 100);
// do someAsyncOperation which takes 95 ms to complete
someAsyncOperation(() => {
  const startCallback = Date.now();
  // do something that will take 10ms...
  while (Date.now() - startCallback < 10) {
    // do nothing
  }
});

当进入事件循环时，它有一个空队列（fs.readFile()尚未完成），因此定时器将等待剩余毫秒数，当到达95ms时，fs.readFile()完成读取文件并且其完成需要10毫秒的回调被添加到轮询队列并执行。
当回调结束时，队列中不再有回调，因此事件循环将看到已达到最快定时器的阈值，然后回到timers阶段以执行定时器的回调。
在此示例中，您将看到正在调度的计时器与正在执行的回调之间的总延迟将为105毫秒。
以下是我测试时间：

pending callbacks

此阶段执行某些系统操作（例如TCP错误类型）的回调。 例如，如果TCP socket ECONNREFUSED在尝试connect时receives，则某些* nix系统希望等待报告错误。 这将在pending callbacks阶段执行。

poll

该poll阶段有两个主要功能：

  • 执行I/O回调。
  • 处理轮询队列中的事件。

当事件循环进入poll阶段并且在timers中没有可以执行定时器时，将发生以下两种情况之一

  • 如果poll队列不为空，则事件循环将遍历其同步执行它们的callback队列，直到队列为空，或者达到system-dependent（系统相关限制）。

如果poll队列为空，则会发生以下两种情况之一

  • 如果有setImmediate()回调需要执行，则会立即停止执行poll阶段并进入执行check阶段以执行回调。
  • 如果没有setImmediate()回到需要执行，poll阶段将等待callback被添加到队列中，然后立即执行。

当然设定了 timer 的话且 poll 队列为空，则会判断是否有 timer 超时，如果有的话会回到 timer 阶段执行回调。

check

此阶段允许人员在poll阶段完成后立即执行回调。
如果poll阶段闲置并且script已排队setImmediate()，则事件循环到达check阶段执行而不是继续等待。
setImmediate()实际上是一个特殊的计时器，它在事件循环的一个单独阶段运行。它使用libuv API来调度在poll阶段完成后执行的回调。
通常，当代码被执行时，事件循环最终将达到poll阶段，它将等待传入连接，请求等。
但是，如果已经调度了回调setImmediate()，并且轮询阶段变为空闲，则它将结束并且到达check阶段，而不是等待poll事件。

console.log('start')
setTimeout(() => {
  console.log('timer1')
  Promise.resolve().then(function() {
    console.log('promise1')
  })
}, 0)
setTimeout(() => {
  console.log('timer2')
  Promise.resolve().then(function() {
    console.log('promise2')
  })
}, 0)
Promise.resolve().then(function() {
  console.log('promise3')
})
console.log('end')

如果node版本为v11.x， 其结果与浏览器一致。

start
end
promise3
timer1
promise1
timer2
promise2

具体详情可以查看《又被node的eventloop坑了，这次是node的锅》。
如果v10版本上述结果存在两种情况：

  • 如果time2定时器已经在执行队列中了
start
end
promise3
timer1
timer2
promise1
promise2
  • 如果time2定时器没有在执行对列中，执行结果为
start
end
promise3
timer1
promise1
timer2
promise2

具体情况可以参考poll阶段的两种情况。
从下图可能更好理解：

setImmediate() 的setTimeout()的区别

setImmediate和setTimeout()是相似的，但根据它们被调用的时间以不同的方式表现。

  • setImmediate()设计用于在当前poll阶段完成后check阶段执行脚本 。
  • setTimeout() 安排在经过最小（ms）后运行的脚本，在timers阶段执行。

举个例子

setTimeout(() => {
  console.log('timeout');
}, 0);
setImmediate(() => {
  console.log('immediate');
});

执行定时器的顺序将根据调用它们的上下文而有所不同。 如果从主模块中调用两者，那么时间将受到进程性能的限制。
其结果也不一致
如果在I / O周期内移动两个调用，则始终首先执行立即回调：

const fs = require('fs');
fs.readFile(__filename, () => {
  setTimeout(() => {
    console.log('timeout');
  }, 0);
  setImmediate(() => {
    console.log('immediate');
  });
});

其结果可以确定一定是immediate => timeout。
主要原因是在I/O阶段读取文件后，事件循环会先进入poll阶段，发现有setImmediate需要执行，会立即进入check阶段执行setImmediate的回调。
然后再进入timers阶段，执行setTimeout，打印timeout。

┌───────────────────────────┐
┌─>│           timers          │
│  └─────────────┬─────────────┘
│  ┌─────────────┴─────────────┐
│  │     pending callbacks     │
│  └─────────────┬─────────────┘
│  ┌─────────────┴─────────────┐
│  │       idle, prepare       │
│  └─────────────┬─────────────┘      ┌───────────────┐
│  ┌─────────────┴─────────────┐      │   incoming:   │
│  │           poll            │<─────┤  connections, │
│  └─────────────┬─────────────┘      │   data, etc.  │
│  ┌─────────────┴─────────────┐      └───────────────┘
│  │           check           │
│  └─────────────┬─────────────┘
│  ┌─────────────┴─────────────┐
└──┤      close callbacks      │
   └───────────────────────────┘

Process.nextTick()

process.nextTick()虽然它是异步API的一部分，但未在图中显示。这是因为process.nextTick()从技术上讲，它不是事件循环的一部分。

  • process.nextTick()方法将 callback 添加到next tick队列。 一旦当前事件轮询队列的任务全部完成，在next tick队列中的所有callbacks会被依次调用。

换种理解方式：

  • 当每个阶段完成后，如果存在 nextTick 队列，就会清空队列中的所有回调函数，并且优先于其他 microtask 执行。

例子

let bar;
setTimeout(() => {
  console.log('setTimeout');
}, 0)
setImmediate(() => {
  console.log('setImmediate');
})
function someAsyncApiCall(callback) {
  process.nextTick(callback);
}
someAsyncApiCall(() => {
  console.log('bar', bar); // 1
});
bar = 1;

在NodeV10中上述代码执行可能有两种答案，一种为：

bar 1
setTimeout
setImmediate

另一种为：

bar 1
setImmediate
setTimeout

无论哪种，始终都是先执行process.nextTick(callback)，打印bar 1。

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