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JavaScript的單執行緒機制

任務佇列

事件與回呼函數

事件

回呼函數

Event Loop

計時器

Node.js的Event Loop

Promise

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js執行機制實例詳解

小云云

Mar 14, 2018 pm 05:21 PM

javascript 實例詳解

想要理解JavaScript的運作機制，需要分別深刻理解幾個點：JavaScript的單執行緒機制、任務佇列（同步任務和非同步任務）、事件和回呼函數、定時器、Event Loop（事件循環）。

JavaScript的單執行緒機制

JavaScript的一個語言特性（也是這門語言的核心）就是單執行緒。單線程簡單地說就是同一時間只能做一件事，當有多個任務時，只能按照一個順序一個完成了再執行下一個。

JavaScript的單執行緒與它的語言用途是有關的。作為一門瀏覽器腳本語言，JavaScript的主要用途是完成使用者互動、操作DOM。這決定了它只能是單線程，否則會導致複雜的同步問題。

設想JavaScript同時有兩個線程，一個線程需要在某個DOM節點上添加內容，而另一個線程的操作是刪除了這個節點，那麼瀏覽器應該以誰為準呢？

所以為了避免複雜性，JavaScript從誕生開始就是單執行緒。

為了提高CPU的使用率，HTML5提出Web Worker標準，允許JavaScript腳本建立多個線程，但是子執行緒完全受主執行緒控制，且不得操作DOM。所以這個標準並沒有改變JavaScript單執行緒的本質。

任務佇列

一個接一個地完成任務也就意味著待完成的任務是需要排隊的，那麼為什麼會需要排隊呢？

通常排隊有以下兩種原因：

任務運算量過大，CPU處於忙碌狀態；
任務所需的東西未準備好所以無法繼續執行，導致CPU閒置，等待輸入輸出設備（I/O設備）。

例如有的任務你需要Ajax取得到資料才能往下執行

由此JavaScript的設計者也意識到，這時完全可以先執行後面已經就緒的任務來提高運作效率，也就是把等待中的任務先掛起放到一邊，等得到需要的東西再執行。就好比接電話時對方離開了一下，這時正好有另一個來電，於是你便把當前通話掛起，等那個通話結束後，再連回之前的通話。所以也就出現了同步和非同步的概念，任務也被分成了兩種，一種是同步任務（Synchronous），另一種是非同步任務（Asynchronous）。

同步任務：需要執行的任務在主執行緒上排隊，一個接一個，前一個完成了再執行下一個
異步任務：沒有馬上被執行但需要執行的任務，存放在「任務佇列」（task queue）中，「任務佇列」會通知主執行緒什麼時候哪個非同步任務可以執行，然後這個任務就會進入主執行緒並被執行。

所有的同步執行都可以看作是沒有非同步任務的非同步執行

具體來說，非同步執行如下：

（1）所有同步任務都在主執行緒上執行，形成一個執行堆疊（execution context stack）。

也就是所有能馬上執行的任務都在主執行緒上排好了隊，一個接一個的被執行。
（2）主執行緒之外，還有一個「任務佇列」（task queue）。只要非同步任務有了運行結果，就在「任務佇列」之中放置一個事件。

也就是說每個非同步任務準備好了就會立一個唯一的flag，這個flag用來識別對應的非同步任務。
（3）一旦“執行堆疊”中的所有同步任務執行完畢，系統就會讀取“任務佇列”，看看裡面有哪些事件。那些對應的非同步任務，就結束等待狀態，進入執行堆疊開始被執行。

也就是主執行緒把之前的任務做完了之後，就會來看「任務佇列」中的flag，來把對應的非同步任務打包來執行。
（4）主執行緒不斷重複以上三步驟。

#只要主執行緒空了，就會去讀取「任務佇列」。這個過程會不斷重複，這就是JavaScript的運作機制。

那怎麼知道主執行緒執行端為空啊？ js引擎存在monitoring process進程，會持續不斷的檢查主執行緒執行堆疊是否為空，一旦為空，就會去Event Queue檢查是否有等待被呼叫的函數。

下面用一

張導圖來說明主執行緒和任務佇列。

js執行機制實例詳解

導圖要表達的內容用文字來表達的話：

同步和非同步任務分別進入不同的執行”場所”，同步的進入主線程，非同步的進入Event Table並註冊函數。
當指定的事情完成時，Event Table會將這個函數移入Event Queue。
主執行緒內的任務執行完畢為空，會去Event Queue讀取對應的函數，進入主執行緒執行。
上述過程會不斷重複，也就是常說的Event Loop(事件循環)。

事件與回呼函數

事件

「任務佇列」是一個事件的佇列（也可以理解成是訊息的佇列），IO設備完成一項任務，就會在「任務佇列」中新增一個事件，表示相關的非同步任務可以進入「執行堆疊」。接著主執行緒讀取“任務佇列”，查看裡面有哪些事件。

「任務佇列」中的事件，除了IO設備的事件以外，還包括一些使用者產生的事件（例如滑鼠點擊、頁面滾動等等）。只要指定過回呼函數，這些事件發生時就會進入“任務佇列”，等待主執行緒讀取。

回呼函數

所謂「回呼函數」（callback），就是那些會被主執行緒掛起來的程式碼。非同步任務必須指定回呼函數，當主執行緒開始執行非同步任務，就是執行對應的回呼函數。

「任務佇列」是一個先進先出的資料結構，排在前面的事件，優先被主執行緒讀取。主執行緒的讀取過程基本上是自動的，只要執行堆疊一清空，「任務佇列」上第一位的事件就會自動進入主執行緒。但是，如果包含“定時器”，主執行緒首先要檢查執行時間，某些事件只有到了規定的時間，才能返回主執行緒。

Event Loop

主執行緒從「任務佇列」讀取事件，這個過程是循環不斷的，所以整個的運行機制又稱為「Event Loop」（事件循環）。

為了更好地理解Event Loop，下面參考Philip Roberts的演講中的一張圖。

Event Loop

上圖中，主執行緒在運行時，產生了heap（堆疊）和stack（堆疊），堆疊中的程式碼呼叫各種外部API，並在“任務佇列」中加入各種事件（click，load，done）。當堆疊中的程式碼執行完畢，主執行緒就會讀取“任務佇列”，並依序執行那些事件所對應的回呼函數。

執行堆疊中的程式碼（同步任務），總是在讀取「任務佇列」（非同步任務）之前執行。

let data = [];
$.ajax({    url:www.javascript.com,    data:data,    success:() => {        console.log(&#39;发送成功!&#39;);
    }
})console.log(&#39;代码执行结束&#39;);

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上面是一段簡易的ajax請求程式碼：

ajax進入Event Table，註冊回呼函數success。
執行console.log('程式碼執行結束')。
ajax事件完成，回呼函數success進入Event Queue。
主執行緒從Event Queue讀取回呼函數success並執行。

計時器

除了放置非同步任務的事件，「任務佇列」還可以放置定時事件，也就是指定某些程式碼在多少時間之後執行。這叫做定時器（timer）功能，也就是定時執行的程式碼。

SetTimeout()和setInterval()可以用來註冊在指定時間之後單次或重複呼叫的函數，它們的內部運作機製完全一樣，區別在於前者指定的程式碼是一次執行，後者會在指定毫秒數的間隔裡重複呼叫:

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

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因為它們都是客戶端JavaScript中重要的全域函數，所以定義為Window物件的方法。

但作為通用函數，其實不會對視窗做什麼事情。

Window物件的setTImeout()方法用來實作一個函數在指定的毫秒數之後運行。所以它接受兩個參數，第一個是回呼函數，第二個是推遲執行的毫秒。 setTimeout()和setInterval()回傳一個值，這個值可以傳遞給clearTimeout()用來取消這個函數的執行。

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

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上面程式碼的執行結果是1，3，2，因為setTimeout()將第二行延後到1000毫秒之後執行。

如果將setTimeout()的第二個參數設為0，就表示目前程式碼執行完（執行堆疊清空）以後，立即執行（0毫秒間隔）指定的回呼函數。

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

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上面程式碼的執行結果總是2，1，因為只有在執行完第二行以後，系統才會執行「任務佇列」中的回呼函數。

總之，setTimeout(fn,0)的意思是，指定某個任務在主執行緒最早可得的空閒時間執行，也就是盡可能提早執行。它在「任務佇列」的尾部新增一個事件，因此要等到同步任務和「任務佇列」現有的事件都處理完，才會執行。

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()和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(&#39;TIMEOUT FIRED&#39;);
}, 0)// 1// 2// TIMEOUT FIRED

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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(&#39;TIMEOUT FIRED&#39;);
}, 0);

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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(&#39;TIMEOUT FIRED&#39;);
}, 0);
}); 
// 1 // TIMEOUT FIRED // 2

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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);
});

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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(&#39;定时器开始啦&#39;)
 });

 new Promise(function(resolve){
     console.log(&#39;马上执行for循环啦&#39;);     for(var i = 0; i < 10000; i++){
         i == 99 && resolve();
     }
 }).then(function(){
     console.log(&#39;执行then函数啦&#39;)
 }); console.log(&#39;代码执行结束&#39;);

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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(&#39;1&#39;);

setTimeout(function() {
    console.log(&#39;2&#39;);    process.nextTick(function() {
        console.log(&#39;3&#39;);
    })
    new Promise(function(resolve) {
        console.log(&#39;4&#39;);
        resolve();
    }).then(function() {
        console.log(&#39;5&#39;)
    })
})process.nextTick(function() {
    console.log(&#39;6&#39;);
})
new Promise(function(resolve) {
    console.log(&#39;7&#39;);
    resolve();
}).then(function() {
    console.log(&#39;8&#39;)
})

setTimeout(function() {
    console.log(&#39;9&#39;);    process.nextTick(function() {
        console.log(&#39;10&#39;);
    })
    new Promise(function(resolve) {
        console.log(&#39;11&#39;);
        resolve();
    }).then(function() {
        console.log(&#39;12&#39;)
    })
})

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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Promise，new 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
setTimeout1	process1
setTimeout2	then1

* 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process1和then1两个微任务。
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process2。new 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
setTimeout2	process2
	then2

* 第二轮事件循环宏任务结束，我们发现有process2和then2两个微任务可以执行。
* 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。