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js执行机制实例详解

原创 2018-03-14 0 118

想要理解JavaScript的运行机制,需要分别深刻理解几个点:JavaScript的单线程机制、任务队列(同步任务和异步任务)、事件和回调函数、定时器、Event Loop(事件循环)。

JavaScript的单线程机制

JavaScript的一个语言特性(也是这门语言的核心)就是单线程。单线程简单地说就是同一时间只能做一件事,当有多个任务时,只能按照一个顺序一个完成了再执行下一个。

JavaScript的单线程与它的语言用途是有关的。作为一门浏览器脚本语言,JavaScript的主要用途是完成用户交互、操作DOM。这就决定了它只能是单线程,否则会导致复杂的同步问题。

设想JavaScript同时有两个线程,一个线程需要在某个DOM节点上添加内容,而另一个线程的操作是删除了这个节点,那么浏览器应该以谁为准呢?

所以为了避免复杂性,JavaScript从诞生起就是单线程。

为了提高CPU的利用率,HTML5提出Web Worker标准,允许JavaScript脚本创建多个线程,但是子线程完全受主线程控制,且不得操作DOM。所以这个标准并没有改变JavaScript单线程的本质。

任务队列

一个接一个地完成任务也就意味着待完成的任务是需要排队的,那么为什么会需要排队呢?

通常排队有以下两种原因:

  • 任务计算量过大,CPU处于忙碌状态;

  • 任务所需的东西未准备好所以无法继续执行,导致CPU闲置,等待输入输出设备(I/O设备)。

    比如有的任务你需要Ajax获取到数据才能往下执行


由此JavaScript的设计者也意识到,这时完全可以先运行后面已经就绪的任务来提高运行效率,也就是把等待中的任务先挂起放到一边,等得到需要的东西再执行。就好比接电话时对方离开了一下,这时正好有另一个来电,于是你便把当前通话挂起,等那个通话结束后,再连回之前的通话。 所以也就出现了同步和异步的概念,任务也被分成了两种,一种是同步任务(Synchronous),另一种是异步任务(Asynchronous)。

  • 同步任务:需要执行的任务在主线程上排队,一个接一个,前一个完成了再执行下一个

  • 异步任务:没有马上被执行但需要执行的任务,存放在“任务队列”(task queue)中,“任务队列”会通知主线程什么时候哪个异步任务可以执行,然后这个任务就会进入主线程并被执行。

    所有的同步执行都可以看作是没有异步任务的异步执行


具体来说,异步执行如下:

  • (1)所有同步任务都在主线程上执行,形成一个执行栈(execution context stack)。

    也就是所有能被马上执行的任务都在主线程上排好了队,一个接一个的被执行。

  • (2)主线程之外,还存在一个“任务队列”(task queue)。只要异步任务有了运行结果,就在“任务队列”之中放置一个事件。

    也就是说每个异步任务准备好了就会立一个唯一的flag,这个flag用来标识对应的异步任务。

  • (3)一旦“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”,看看里面有哪些事件。那些对应的异步任务,就结束等待状态,进入执行栈开始被执行。

    也就是主线程把之前的任务做完了之后,就会来看“任务队列”中的flag,来把对应的异步任务打包来执行。

  • (4)主线程不断重复以上三步。

    只要主线程空了,就会去读取“任务队列”。这个过程会被不断重复,这就是JavaScript的运行机制。

那怎么知道主线程执行栈为空啊?js引擎存在monitoring process进程,会持续不断的检查主线程执行栈是否为空,一旦为空,就会去Event Queue那里检查是否有等待被调用的函数。

下面用一

张导图来说明主线程和任务队列。

15fdd88994142347.webp.jpg

导图要表达的内容用文字来表述的话:

  • 同步和异步任务分别进入不同的执行”场所”,同步的进入主线程,异步的进入Event Table并注册函数。

  • 当指定的事情完成时,Event Table会将这个函数移入Event Queue。

  • 主线程内的任务执行完毕为空,会去Event Queue读取对应的函数,进入主线程执行。

  • 上述过程会不断重复,也就是常说的Event Loop(事件循环)。

事件和回调函数

事件

“任务队列”是一个事件的队列(也可以理解成是消息的队列),IO设备完成一项任务,就会在“任务队列”中添加一个事件,表示相关的异步任务可以进入“执行栈”。接着主线程读取“任务队列”,查看里面有哪些事件。

“任务队列”中的事件,除了IO设备的事件以外,还包括一些用户产生的事件(比如鼠标点击、页面滚动等等)。只要指定过回调函数,这些事件发生时就会进入“任务队列”,等待主线程读取。

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。

“任务队列”是一个先进先出的数据结构,排在前面的事件,优先被主线程读取。主线程的读取过程基本上是自动的,只要执行栈一清空,“任务队列”上第一位的事件就自动进入主线程。但是,如果包含“定时器”,主线程首先要检查一下执行时间,某些事件只有到了规定的时间,才能返回主线程。

Event Loop

主线程从“任务队列”中读取事件,这个过程是循环不断的,所以整个的运行机制又称为“Event Loop”(事件循环)。

为了更好地理解Event Loop,下面参照Philip Roberts的演讲中的一张图。

Event Loop

上图中,主线程在运行时,产生了heap(堆)和stack(栈),栈中的代码调用各种外部API,并在“任务队列”中加入各种事件(click,load,done)。当栈中的代码执行完毕,主线程就会读取“任务队列”,并依次执行那些事件所对应的回调函数。

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。

let data = [];
$.ajax({    url:www.javascript.com,    data:data,    success:() => {        console.log('发送成功!');
    }
})console.log('代码执行结束');

上面是一段简易的ajax请求代码:

  • ajax进入Event Table,注册回调函数success

  • 执行console.log('代码执行结束')

  • ajax事件完成,回调函数success进入Event Queue。

  • 主线程从Event Queue读取回调函数success并执行。

定时器

除了放置异步任务的事件,“任务队列”还可以放置定时事件,即指定某些代码在多少时间之后执行。这叫做定时器(timer)功能,也就是定时执行的代码。

SetTimeout()setInterval()可以用来注册在指定时间之后单次或重复调用的函数,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,后者会在指定毫秒数的间隔里重复调用:

setInterval(updateClock, 60000); //60秒调用一次updateClock()

因为它们都是客户端JavaScript中重要的全局函数,所以定义为Window对象的方法。

但作为通用函数,其实不会对窗口做什么事情。

Window对象的setTImeout()方法用来实现一个函数在指定的毫秒数之后运行。所以它接受两个参数,第一个是回调函数,第二个是推迟执行的毫秒数。 setTimeout()setInterval()返回一个值,这个值可以传递给clearTimeout()用于取消这个函数的执行。

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

上面代码的执行结果是1,3,2,因为setTimeout()将第二行推迟到1000毫秒之后执行。

如果将setTimeout()的第二个参数设为0,就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)

上面代码的执行结果总是2,1,因为只有在执行完第二行以后,系统才会执行“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,也就是尽可能早地执行。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。

HTML5标准规定了setTimeout()的第二个参数的最小值(最短间隔),不得低于4毫秒,如果低于这个值,就会自动增加。

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。

由于历史原因,setTimeout()setInterval()的第一个参数可以作为字符串传入。如果这么做,那这个字符串会在指定的超时时间或间隔之后进行求值(相当于执行eval())。

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。

Node.js的运行机制如下。

  • (1)V8引擎解析JavaScript脚本。

  • (2)解析后的代码,调用Node API。

  • (3)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。

  • (4)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。它们可以帮助我们加深对”任务队列”的理解。

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。请看下面的例子

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

上面代码中,由于process.nextTick方法指定的回调函数,总是在当前”执行栈”的尾部触发,所以不仅函数A比setTimeout指定的回调函数timeout先执行,而且函数B也比timeout先执行。这说明,如果有多个process.nextTick语句(不管它们是否嵌套),将全部在当前”执行栈”执行。

现在,再看setImmediate。

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

上面代码中,setImmediate与setTimeout(fn,0)各自添加了一个回调函数A和timeout,都是在下一次Event Loop触发。那么,哪个回调函数先执行呢?答案是不确定。运行结果可能是1–TIMEOUT FIRED–2,也可能是TIMEOUT FIRED–1–2。

令人困惑的是,Node.js文档中称,setImmediate指定的回调函数,总是排在setTimeout前面。实际上,这种情况只发生在递归调用的时候。

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

上面代码中,setImmediate和setTimeout被封装在一个setImmediate里面,它的运行结果总是1–TIMEOUT FIRED–2,这时函数A一定在timeout前面触发。至于2排在TIMEOUT FIRED的后面(即函数B在timeout后面触发),是因为setImmediate总是将事件注册到下一轮Event Loop,所以函数A和timeout是在同一轮Loop执行,而函数B在下一轮Loop执行。

我们由此得到了process.nextTick和setImmediate的一个重要区别:多个process.nextTick语句总是在当前”执行栈”一次执行完,多个setImmediate可能则需要多次loop才能执行完。事实上,这正是Node.js 10.0版添加setImmediate方法的原因,否则像下面这样的递归调用process.nextTick,将会没完没了,主线程根本不会去读取”事件队列”!

process.nextTick(function foo() {process.nextTick(foo);
});

事实上,现在要是你写出递归的process.nextTick,Node.js会抛出一个警告,要求你改成setImmediate。

另外,由于process.nextTick指定的回调函数是在本次”事件循环”触发,而setImmediate指定的是在下次”事件循环”触发,所以很显然,前者总是比后者发生得早,而且执行效率也高(因为不用检查”任务队列”)。

Promise

除了广义的同步任务和异步任务,任务还有更精细的定义:

  • macro-task(宏任务):包括整体代码script,setTimeout,setInterval

  • micro-task(微任务):Promise,process.nextTick

事件循环,宏任务,微任务的关系如图所示:

按照宏任务和微任务这种分类方式,JS的执行机制是

  • 执行一个宏任务,过程中如果遇到微任务,就将其放到微任务的【事件队列】里

  • 当前宏任务执行完成后,会查看微任务的【事件队列】,并将里面全部的微任务依次执行完

请看下面的例子:

setTimeout(function(){
     console.log('定时器开始啦')
 });

 new Promise(function(resolve){
     console.log('马上执行for循环啦');     for(var i = 0; i < 10000; i++){
         i == 99 && resolve();
     }
 }).then(function(){
     console.log('执行then函数啦')
 }); console.log('代码执行结束');
  • 首先执行script下的宏任务,遇到setTimeout,将其放到宏任务的【队列】里

  • 遇到 new Promise直接执行,打印”马上执行for循环啦”

  • 遇到then方法,是微任务,将其放到微任务的【队列里】

  • 打印 “代码执行结束”

  • 本轮宏任务执行完毕,查看本轮的微任务,发现有一个then方法里的函数, 打印”执行then函数啦”

  • 到此,本轮的event loop 全部完成。

  • 下一轮的循环里,先执行一个宏任务,发现宏任务的【队列】里有一个 setTimeout里的函数,执行打印”定时器开始啦”

所以最后的执行顺序是【马上执行for循环啦 — 代码执行结束 — 执行then函数啦 — 定时器开始啦】

我们来分析一段较复杂的代码,看看你是否真的掌握了js的执行机制:

console.log('1');

setTimeout(function() {
    console.log('2');    process.nextTick(function() {
        console.log('3');
    })
    new Promise(function(resolve) {
        console.log('4');
        resolve();
    }).then(function() {
        console.log('5')
    })
})process.nextTick(function() {
    console.log('6');
})
new Promise(function(resolve) {
    console.log('7');
    resolve();
}).then(function() {
    console.log('8')
})

setTimeout(function() {
    console.log('9');    process.nextTick(function() {
        console.log('10');
    })
    new Promise(function(resolve) {
        console.log('11');
        resolve();
    }).then(function() {
        console.log('12')
    })
})

第一轮事件循环流程分析如下:

  • 整体script作为第一个宏任务进入主线程,遇到console.log,输出1。

  • 遇到setTimeout,其回调函数被分发到宏任务Event Queue中。我们暂且记为setTimeout1

  • 遇到process.nextTick(),其回调函数被分发到微任务Event Queue中。我们记为process1

  • 遇到Promisenew Promise直接执行,输出7。then被分发到微任务Event Queue中。我们记为then1

  • 又遇到了setTimeout,其回调函数被分发到宏任务Event Queue中,我们记为setTimeout2

宏任务Event Queue微任务Event Queue
setTimeout1process1
setTimeout2then1

* 上表是第一轮事件循环宏任务结束时各Event Queue的情况,此时已经输出了1和7。

  • 我们发现了process1then1两个微任务。

  • 执行process1,输出6。

  • 执行then1,输出8。

好了,第一轮事件循环正式结束,这一轮的结果是输出1,7,6,8。那么第二轮时间循环从setTimeout1宏任务开始:

  • 首先输出2。接下来遇到了process.nextTick(),同样将其分发到微任务Event Queue中,记为process2new Promise立即执行输出4,then也分发到微任务Event Queue中,记为then2

宏任务Event Queue微任务Event Queue
setTimeout2process2

then2

* 第二轮事件循环宏任务结束,我们发现有process2then2两个微任务可以执行。
* 输出3。
* 输出5。
* 第二轮事件循环结束,第二轮输出2,4,3,5。
* 第三轮事件循环开始,此时只剩setTimeout2了,执行。
* 直接输出9。
* 将process.nextTick()分发到微任务Event Queue中。记为process3
* 直接执行new Promise,输出11。
* 将then分发到微任务Event Queue中,记为then3

宏任务Event Queue微任务Event Queue

process3

then3

* 第三轮事件循环宏任务执行结束,执行两个微任务process3then3
* 输出10。
* 输出12。
* 第三轮事件循环结束,第三轮输出9,11,10,12。

整段代码,共进行了三次事件循环,完整的输出为1,7,6,8,2,4,3,5,9,11,10,12。
(请注意,node环境下的事件监听依赖libuv与前端环境不完全相同,输出顺序可能会有误差)

以上就是js执行机制实例详解的详细内容,更多请关注php中文网其它相关文章!

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