壹.2.8 Event Loop

JavaScript从诞生起就是一门单线程的语言。至于为什么被设计成单线程?因为该语言的作者当时认为它只是在浏览器执行的脚本语言,对它功能性的要求不是很高。早期的网页对JavaScript需求没那么高,都是轻量级的,而且要求写起来的程序一定要简单,而如果涉及成支持多线程的,程序逻辑会造成交互、DOM 操作变得十分复杂。

单线程的缺点是任务执行会阻塞,表现到网页里是:发起数据请求 --> http延迟 --> 等待完成,等待的过程中,其他操作无法执行,导致页面长时间无响应。

JavaScript用异步回调(asynchronous callback)去解决这些问题。实现异步回调的特性,其实是基于Event Loop(事件循环)。

为了尽量保持原意,本篇一些专有名词尽量使用英文,而不是采用中文翻译。

壹.2.8.1 先了解一点基础知识

1. JavaScript的 Engine 和 Runtime

简单来说,为了让 JavaScript 运行起来,要完成两部分工作(当然实际比这复杂得多):

第一部分是Engine(JS引擎):编译并执行 JavaScript 代码,完成内存分配、垃圾回收等; 第二部分是Runtime(运行时):为 JavaScript 提供一些对象或机制,使它能够与外界交互。

举个例子:

Chrome浏览器 和 Node.js 都使用了 V8 Engine。V8 实现并提供了 ECMAScript 标准中的所有数据类型、操作符、对象和方法(注意并没有 DOM)。 但它们的 Runtime 并不一样:Chrome 提供了 window、DOM,而 Node.js 则是 require、process 等等。

2. 浏览器的线程

JS引擎是单线程的,但是浏览器是多线程的。现代浏览器的一个 tab ,其中的线程包括但不局限于:

  • GUI 渲染线程

  • JS引擎线程

  • 事件触发线程

  • 定时器触发线程

  • 异步http请求线程

JavaScript中的异步回调是通过 WebAPIs 去支持的,常见的有 XMLHttpRequestsetTimeout,事件回调(onclik, onscroll等)。而这几个 API 浏览器都提供了单独的线程去运行,所以才会有合适的地方去处理定时器的计时、各种请求的回调。即当代码中出现这几个定义的异步任务,是由浏览器实现了它们与JS引擎的通信,与JS引擎不在同一个线程

另外,GUI 渲染和JavaScript执行是互斥的。虽然两者属于不同的线程,但是由于JavaScript执行结果可能会对页面产生影响,所以浏览器对此做了处理,大部分情况下JavaScript线程执行,执行渲染(render)的线程就会暂停,等JavaScript的同步代码执行完再去渲染。

壹.2.8.2 Event loop的定义

Event Loop(事件循环) 是让 JavaScript 做到既是单线程,又绝对不会阻塞的核心机制,也是 JavaScript 并发模型(Concurrency Model)的基础,是用来协调各种事件、用户交互、脚本执行、UI 渲染、网络请求等的一种机制。Event Loop的作用很简单: 监控调用栈任务队列(见 壹.2.8.3),如果调用栈是空的,它就会取出队列中的第一个"callback函数",然后将它压入到调用栈中,然后执行它。

总的来说,Event Loop 是实现异步回调的一种机制而已。

1.分两种

Event Loop 分为两种,一种存在于 Browsing Context 中,还有一种在 Worker 中。

  1. Browsing Context 是指一种用来将 Document(文档)展现给用户的环境。例如浏览器中的 tab,window 或 iframe 等,通常都包含 Browsing Context。

  2. Worker 是指一种独立于 UI 脚本,可在后台执行脚本的 API。常用来在后台处理一些计算密集型的任务。

本篇重点介绍的是 Browsing Context 中的 Event Loop,相比 Worker 中的 Event Loop,它也更加复杂一些。

另外,Event Loop 并不是在 ECMAScript 标准中定义的,而是在 HTML 标准中定义的。在 JS引擎中(以V8为例),只是实现了 ECMAScript 标准,而并不关心什么 Event Loop。也就是说 Event Loop 是属于 JavaScript Runtime 的,是由宿主环境(比如浏览器)提供的。所以千万不要理解错了,这也是前面介绍 JavaScript Engine 和 Runtime 的原因。

2.独立

每个”线程“都有自己的 Event Loop。所以,每个 web worker 拥有独立的 Event Loop,它们都可以独立运行;同源的 windows 共享一个 Event Loop,它们之间可以互相通信。

壹.2.8.3 内存模型

从 JavaScript 内存模型的角度,我们可以将内存划分为调用栈(Call Stack)、堆(Heap)以及任务队列(Queue)等几个部分:

内存模型

1. 调用栈

调用栈会记录所有的函数调用信息,当我们调用某个函数时,会将其参数与局部变量等以栈帧的形式压入栈中(入栈);在执行完毕后,会弹出栈顶的帧。让我们来看一看下面的例子:

function multiply(x, y) {
return x * y;
}
function printSquare(x) {
var s = multiply(x, x);
console.log(s);
}
printSquare(5);

当程序开始执行的时候,调用栈是空的,然后,步骤如下:

2. 堆

堆则则存放了大量的非结构化数据,譬如程序分配的变量与对象。

3. 任务队列

任务队列包含了一系列待处理的信息与相关联的回调函数。任务队列又分为 MacroTask QueueMicroTask Queue 两种。

壹.2.8.4 MacroTask 和 MicroTask

1. MacroTask Queue(宏任务队列)

Event Loop 会有一个或多个 MacroTask Queue,这是一个先进先出(FIFO)的有序列表,存放着来自不同 Task Source(任务源)的 Task(也即MacroTask)。

关于 Task,常有人通俗地称它为 MarcoTask,但其实 HTML 标准中并没有这种说法。然而,为了方便理解,本书仍沿用通俗的称谓MacroTask。

在 HTML 标准中,定义了几种常见的 Task Source:

  • DOM manipulation(DOM 操作);

  • User interaction(用户交互);

  • Networking(网络请求);

  • History traversal(History API 操作)。

MacroTask Source 的定义非常的宽泛,常见的鼠标、键盘事件,AJAX,数据库操作(例如 IndexedDB),以及定时器相关的 setTimeout、setInterval 等等都属于 Task Source,所有来自这些 MacroTask Source 的 MacroTask 都会被放到对应的 MacroTask Queue 中等待处理。

对于 MacroTask、MacroTask Queue 和 Task Source,有如下规定:

  1. 来自相同 Task Source 的 MacroTask,必须放在同一个 MacroTask Queue 中;

  2. 来自不同 Task Source 的 MacroTask,可以放在不同的 MacroTask Queue 中;

  3. 同一个 MacroTask Queue 内的 MacroTask 是按顺序执行的;

  4. 但对于不同的 MacroTask Queue(Task Source),浏览器会进行调度,允许优先执行来自特定 Task Source 的 MacroTask。

例如,鼠标、键盘事件和网络请求都有各自的 MacroTask Queue,当两者同时存时,浏览器可以优先从用户交互相关的 MacroTask Queue 中挑选 MacroTask 并执行,比如这里的鼠标、键盘事件,从而保证流畅的用户体验。

2. MicroTask Queue(微任务队列)

MicroTask Queue 与 MacroTask Queue 类似,也是一个有序列表。不同之处在于,一个 Event Loop 只有一个 MicroTask Queue

在 HTML 标准中,并没有明确规定 MicroTask Source,通常认为有以下几种:

  • Promise

在 Promises/A+ Note 3.1 中提到了 then、onFulfilled、onRejected 的实现方法,但 Promise 本身属于平台代码,由具体实现来决定是否使用 Microtask,因此在不同浏览器上可能会出现执行顺序不一致的问题。不过好在目前的共识是用 Microtask 来实现事件队列。

  • MutationObserver

  • Object.observe (已废弃)

这里要特别提一下:网上有很多文章把 Node.js 的 process.nextTick 和 Microtask 混为一谈,事实上虽然两者层级(运行时机)非常接近,但并不是同一个东西。process.nextTick 是 Node.js 自身定义实现的一种机制,有自己的 nextTickQueue,与 HTML 标准中的 MicroTask 不是一回事。在 Node.js 中,process.nextTick 会先于 Microtask Queue 被执行。

3. 二者关系图例

Event Loop中,每一次循环称为tick,每一次tick的任务细节如下:

  • 调用栈选择最先进入队列的MacroTask(通常是script整体代码),如果有则执行;

  • 检查是否存在 MicroTask,如果存在则不停的执行,直至清空 MicroTask Queue;

  • 浏览器更新渲染(render),每一次事件循环,浏览器都可能会去更新渲染;

  • 重复以上步骤。

MacroTask Queue和MicroTask Queue二者的关系如下图:

如图所示,二者互相穿插:MacroTask --> MicroTask Queue --> MacroTask。

一个Event Loop会有一个或多个 MacroTask Queue,而 Event Loop 仅有一个 MicroTask Queue。

这句话可能比较令人费解,因为上图中似乎有2 个MicroTask Queue!怎么回事呢?

其实是这样的,每个 MacroTask Queue 都保证按照回调函数(callback)入队列的顺序依次执行MacroTask,在 MacroTask 或者 MicroTask 中产生的新 MicroTask 会被压入到 MicroTask Queue中并执行。而在 执行两个MacroTask之间,也即在执行下一个MacroTask之前,会优先执行完所有MicroTask,也即会优先清空已有的 MicroTask Queue。因此,图中第二个MicroTask Queue产生的时候,第一个MicroTask Queue其实已经被清空了。所以Event Loop实际上仅有一个MicroTask Queue。

壹.2.8.5 JavaScript Runtime 的运行机制

了解了 Event Loop 和任务队列的基本概念后,就可以从相对宏观的角度先了解一下 JavaScript Runtime 的运行机制了,简化后的步骤如下:

  1. 主线程不断循环;

  2. 对于同步任务,创建执行上下文(Execution Context),按顺序进入调用栈;

  3. 对于异步任务

    • 与步骤 2 相同,同步执行这段代码;

    • 将相应的 MacroTask(或 Microtask)添加到任务队列;

    • 由其他线程来执行具体的异步操作。

其他线程是指:尽管 JavaScript 是单线程的,但浏览器内核是多线程的,它会将 GUI 渲染、定时器触发、HTTP 请求等工作交给专门的线程来处理。另外,在 Node.js 中,异步操作会优先由 OS 或第三方系统提供的异步接口来执行,然后才由线程池处理。

  1. 当主线程执行完当前调用栈中的所有任务,就会去读取 Event Loop 的任务队列,取出并执行任务;

  2. 重复以上步骤。

用一张简图来表示一下这种运行机制:

还是拿 setTimeout 举例:

  1. 主线程同步执行这个 setTimeout 函数本身。

  2. 将负责执行这个 setTimeout 的回调函数的 MacroTask 添加到 MacroTask Queue。

  3. 定时器开始工作(实际上是靠 Event Loop 不断循环检查系统时间来判断是否已经到达指定的时间点)。

  4. 主线程继续执行其他任务。

  5. 当调用栈为空,且定时器触发时,主线程取出 MacroTask 并执行相应的回调函数。

很明显,执行 setTimeout 不会导致阻塞。当然,如果主线程很忙的话(调用栈一直非空),就会出现明明时间已经到了,却也不执行回调的现象,所以类似 setTimeout 这样的回调函数都是没法保证执行时机的。

setTimeout和setInterval取的时间是不准确的,因为当调用栈若不为空,它们的回调函数永远不会别执行。所以,我们会经常碰到setTimeout和setInterval用来做动画的时候,很不流畅或者卡顿。

壹.2.8.5 面试题解析

在面试中我们常常会碰到如下类似的代码题,面试官要你写出输出结果,其要目的是考察对JavaScript不同任务的执行先后顺序的理解:

// 执行顺序问题,考察频率挺高
setTimeout(function() {
console.log(1);
});
new Promise(function(resolve, reject) {
console.log(2);
resolve(3);
}).then(function(val) {
console.log(val);
});
console.log(4);

根据本文的解析,我们可以得到:

  1. 先执行同步代码

    • 首先,执行new Promise中的console.log(2),then后面的属于MicroTask所以跳过;

    • 然后,执行console.log(4)

  2. 执行完script这个MacroTask后,执行MicroTask(也即Promise.then) 中的console.log(val),此时val的值由resolve(3)传递过来,值为3。后面无其他微任务。

  3. 执行另一个MacroTask也即定时器setTimeout中的console.log(1)。 根据本文的内容,可以很轻松,且有理有据的猜出写出正确答案:2,4,3,1。