一文彻底吃透 JavaScript 的执行机制

ゝ一世哀愁。 2022-12-24 11:53 152阅读 0赞

## 执行 & 运行 ##

首先我们需要声明下，`JavaScript` 的执行和运行是两个不同概念的，**执行，一般依赖于环境**，比如 `node`、浏览器、`Ringo` 等， **JavaScript 在不同环境下的执行机制可能并不相同**。而今天我们要讨论的 `Event Loop` 就是 `JavaScript` 的一种执行方式。所以下文我们还会梳理 `node` 的执行方式。**而运行呢，是指JavaScript 的解析引擎。这是统一的。**

## 关于 JavaScript ##

此篇文章中，这个小标题下，我们只需要牢记一句话: **JavaScript 是单线程语言** ，无论`HTML5` 里面 `Web-Worker` 还是 node 里面的`cluster`都是“纸老虎”，而且 `cluster` 还是进程管理相关。这里读者注意区分：进程和线程。

既然 `JavaScript` 是单线程语言，那么就会存在一个问题，所有的代码都得一句一句的来执行。就像我们在食堂排队打饭，必须一个一个排队点菜结账。那些没有排到的，就得等着~

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## 概念梳理 ##

在详解执行机制之前，先梳理一下 `JavaScript` 的一些基本概念，方便后面我们说到的时候大伙儿心里有个印象和大概的轮廓。

### 事件循环(Event Loop) ###

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什么是 Event Loop？

其实这个概念还是比较模糊的，因为他必须得结合着运行机制来解释。

`JavaScript` 有一个主线程 `main thread`，和调用栈 `call-stack` 也称之为执行栈。所有的任务都会放到调用栈中等待主线程来执行。

暂且，我们先理解为上图的大圈圈就是 Event Loop 吧！并且，这个圈圈，一直在转圈圈~ 也就是说，`JavaScript` 的 `Event Loop` 是伴随着整个源码文件生命周期的，只要当前 `JavaScript` 在运行中，内部的这个循环就会不断地循环下去，去寻找 `queue` 里面能执行的 `task`。

### 任务队列(task queue) ###

`task`，就是任务的意思，我们这里理解为每一个语句就是一个任务

console.log(1);
    console.log(2);

如上语句，其实就是就可以理解为两个 `task`。

而 `queue` 呢，就是`FIFO`的队列！

所以 `Task Queue` 就是承载任务的队列。而 `JavaScript` 的 `Event Loop`就是会不断地过来找这个 `queue`，问有没有 `task` 可以运行运行。

### 同步任务(SyncTask)、异步任务(AsyncTask) ###

**同步任务说白了就是主线程来执行的时候立即就能执行的代码**，比如:

console.log('this is THE LAST TIME');
    console.log('Nealyang');

代码在执行到上述 `console` 的时候，就会立即在控制台上打印相应结果。

而所谓的异步任务就是主线程执行到这个 `task` 的时候，“*唉！你等会，我现在先不执行，等我 xxx 完了以后我再来等你执行*” 注意上述我说的是**等你**来执行。

说白了，**异步任务就是你先去执行别的 task，等我这 xxx 完之后再往 Task Queue 里面塞一个 task 的同步任务来等待被执行**

setTimeout(()=>{
      console.log(2)
    });
    console.log(1);

如上述代码，`setTimeout` 就是一个异步任务，主线程去执行的时候遇到`setTimeout` 发现是一个异步任务，就先注册了一个异步的回调，然后接着执行下面的语句`console.log(1)`,等上面的异步任务等待的时间到了以后，在执行`console.log(2)`。具体的执行机制会在后面剖析。

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*  主线程自上而下执行所有代码
 *  同步任务直接进入到主线程被执行，而异步任务则进入到 `Event Table` 并注册相对应的回调函数
 *  异步任务完成后，`Event Table` 会将这个函数移入 `Event Queue`
 *  主线程任务执行完了以后，会从`Event Queue`中读取任务，进入到主线程去执行。
 *  循环如上

上述动作不断循环，就是我们所说的事件循环(`Event Loop`)。

#### 小试牛刀 ####

ajax({
        url:www.Nealyang.com,
        data:prams,
        success:() => {
            console.log('请求成功!');
        },
        error:()=>{
            console.log('请求失败~');
        }
    })
    console.log('这是一个同步任务');

*  ajax 请求首先进入到 `Event Table` ，分别注册了`onError`和`onSuccess`回调函数。
 *  主线程执行同步任务：`console.log('这是一个同步任务');`
 *  主线程任务执行完毕，看`Event Queue`是否有待执行的 task,这里是不断地检查，只要主线程的`task queue`没有任务执行了，主线程就一直在这等着
 *  ajax 执行完毕，将回调函数`push` 到`Event Queue`。（步骤 3、4 没有先后顺序而言）
 *  主线程“终于”等到了`Event Queue`里有 `task`可以执行了，执行对应的回调任务。
 *  如此往复。

### 宏任务(MacroTask)、微任务(MicroTask) ###

`JavaScript` 的任务不仅仅分为同步任务和异步任务，同时从另一个维度，也分为了宏任务(`MacroTask`)和微任务(`MicroTask`)。

先说说 `MacroTask`，所有的同步任务代码都是`MacroTask`（这么说其实不是很严谨，下面解释）,`setTimeout`、`setInterval`、`I/O`、`UI Rendering` 等都是宏任务。

`MicroTask`，为什么说上述不严谨我却还是强调所有的同步任务都是 `MacroTask` 呢，因为我们仅仅需要记住几个 `MicroTask` 即可，排除法！别的都是 `MacroTask`。`MicroTask` 包括：`Process.nextTick`、`Promise.then catch finally`(注意我不是说 Promise)、`MutationObserver`。

## 浏览器环境下的 Event Loop ##

当我们梳理完哪些是 `MicroTask` ，除了那些别的都是 `MacroTask` 后，哪些是同步任务，哪些又是异步任务后，这里就应该彻底的梳理下JavaScript 的执行机制了。

如开篇说到的，执行和运行是不同的，执行要区分环境。所以这里我们将`Event Loop` 的介绍分为浏览器和 Node 两个环境下。

先放图镇楼！如果你已经理解了这张图的意思，那么恭喜你，你完全可以直接阅读 Node 环境下的 `Event Loop` 章节了！

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### setTimeout、setInterval ###

#### setTimeout ####

`setTimeout` 就是等多长时间来执行这个回调函数。`setInterval` 就是每隔多长时间来执行这个回调。

let startTime = new Date().getTime();
    
    setTimeout(()=>{
      console.log(new Date().getTime()-startTime);
    },1000);

如上代码，顾名思义，就是等 1s 后再去执行 `console`。放到浏览器下去执行，OK，如你所愿就是如此。

但是这次我们在探讨 JavaScript 的执行机制，所以这里我们得探讨下如下代码：

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如上运行，`setTimeout` 的回调函数等到 4.7s 以后才执行!而这时候，我们把 `setTimeout` 的 1s 延迟给删了：

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结果依然是等到 4.7s 后才执行setTimeout 的回调。貌似 setTimeout 后面的延迟并没有产生任何效果！

![format_png 6][]

其实这么说，又应该回到上面的那张 JavaScript 执行的流程图了。

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`setTimeout`这里就是简单的异步，我们通过上面的图来分析上述代码的一步一步执行情况

*  首先 `JavaScript` 自上而下执行代码
 *  遇到遇到赋值语句、以及第一个 `console.log({startTime})` 分别作为一个 `task`，压入到立即执行栈中被执行。
 *  遇到 `setTImeout` 是一个异步任务，则注册相应回调函数。（异步函数告诉你，js 你先别急，等 1s 后我再将回调函数：`console.log(xxx)`放到 `Task Queue` 中）
 *  OK，这时候 JavaScript 则接着往下走，遇到了 40000 个 for 循环的 task，没办法，1s 后都还没执行完。其实这个时候上述的回调已经在`Task Queue` 中了。
 *  等所有的立即执行栈中的 task 都执行完了，在回头看 `Task Queue` 中的任务，发现异步的回调 task 已经在里面了，所以接着执行。

### 打个比方 ###

> 其实上述的不仅仅是 timeout，而是任何异步，比如网络请求等。

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就好比，我六点钟下班了，可以安排下自己的活动了!

然后收拾电脑(同步任务)、收拾书包(同步任务)、**给女朋友打电话说出来吃饭吧**(必然是异步任务)，然后女朋友说你等会，我先化个妆，等我画好了call你。

那我不能干等着呀，就接着做别的事情，比如那我就在改个 bug 吧，你好了通知我。结果等她一个小时后说我化好妆了，我们出去吃饭吧。不行！我 bug 还没有解决掉呢？你等会。。。。其实这个时候你的一小时化妆还是 5 分钟化妆都已经毫无意义了。。。因为哥哥这会没空~~

如果我 bug 在半个小时就解决完了，没别的任务需要执行了，那么就在这等着呀！必须等着！随时待命！。然后女朋友来电话了，我化完妆了，我们出去吃饭吧，那么刚好，我们在你的完成了请求或者 timeout 时间到了后我刚好闲着，那么我必须立即执行了。

### setInterval ###

说完了 `setTimeout`，当然不能错过他的孪生兄弟：`setInterval`。对于执行顺序来说，`setInterval`会每隔指定的时间将注册的函数置入 `Task Queue`，如果前面的任务耗时太久，那么同样需要等待。

这里需要说的是，对于 `setInterval(fn,ms)` 来说，我们制定没 `xx ms`执行一次 `fn`，其实是没 `xx ms`，会有一个`fn` 进入到 `Task Queue` 中。**一旦 setInterval 的回调函数`fn`执行时间超过了xx ms，那么就完全看不出来有时间间隔了。** 仔细回味回味，是不是那么回事？

### Promise ###

关于 `Promise` 的用法，这里就不过过多介绍了，后面会在写《【THE LAST TIME】彻底吃透 JavaScript 异步》 一文的时候详细介绍。这里我们只说 JavaScript 的执行机制。

如上所说，`promise.then` 、`catch` 和 `finally` 是属于 `MicroTask`。这里主要是异步的区分。展开说明之前，我们结合上述说的，再来“扭曲”梳理一下。

为了避免初学者这时候脑子有点混乱，我们暂时**忘掉 JavaScript 异步任务！** 我们暂且称之为待会再执行的同步任务。

有了如上约束后，我们可以说，JavaScript 从一开始就自上而下的执行每一个语句(`Task`),这时候只能遇到立马就要执行的任务和待会再执行的任务。对于那待会再执行的任务等到能执行了，也不会立即执行，你得等js 执行完这一趟才行

#### 再打个比方 ####

就像做公交车一样，公交车不等人呀，公交车路线上有人就会停（农村公交！么得站牌），但是等公交车来，你跟司机说，我肚子疼要拉x~这时候公交不会等你。你只能拉完以后等公交下一趟再来（大山里！一个路线就一趟车）。

OK！你拉完了。。。等公交，公交也很快到了！但是，你不能立马上车，因为这时候前面**有个孕妇！有个老人！还有熊孩子**，你必须得让他们先上车，然后你才能上车！

而这些 孕妇、老人、熊孩子所组成的就是传说中的 `MicroTask Queue`,而且，就在你和你的同事、朋友就必须在他们后面上车。

这里我们没有异步的概念，只有同样的一次循环回来，有了两种队伍，一种优先上车的队伍叫做`MicroTask Queue`，而你和你的同事这帮壮汉组成的队伍就是宏队伍(`MacroTask Queue`)。

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一句话理解：一次事件循环回来后，开始去执行 `Task Queue` 中的`task`，但是这里的 `task` 有**优先级**。所以优先执行 `MicroTask Queue` 中的 task，执行完后在执行`MacroTask Queue` 中的 task

#### 小试牛刀 ####

理论都扯完了，也不知道你懂没懂。来，期中考试了！

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

> 没必要搞个 setTimeout 有加个 Promise，Promise 里面再整个 setTimeout 的例子。因为只要上面代码你懂了，无非就是公交再来一趟而已！

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如果说了这么多，还是没能理解上图，那么公众号内回复【1】，手摸手指导！

## Node 环境下的 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。所以关于 Node 的 `Event Loop`学习，有两个官方途径可以学习:

*  libuv 文档
 *  官网的What is the Event Loop?.

在学习 Node 环境下的 `Event Loop` 之前呢，我们首先要明确执行环境，Node 和浏览器的Event Loop是两个有明确区分的事物，不能混为一谈。nodejs的event是基于libuv，而浏览器的event loop则在html5的规范中明确定义。

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

Node 的 Event Loop 分为 6 个阶段：

*  timers：执行`setTimeout()` 和 `setInterval()`中到期的callback。
 *  pending callback: 上一轮循环中有少数的`I/O` callback会被延迟到这一轮的这一阶段执行
 *  idle, prepare：仅内部使用
 *  poll: 最为重要的阶段，执行`I/O` callback，在**适当的条件下**会阻塞在这个阶段
 *  check: 执行`setImmediate`的callback
 *  close callbacks: 执行`close`事件的callback，例如`socket.on('close'[,fn])`、`http.server.on('close, fn)`

> 上面六个阶段都不包括 process.nextTick()(下文会介绍)

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整体的执行机制如上图所示，下面我们具体展开每一个阶段的说明

### timers 阶段 ###

timers 阶段会执行 `setTimeout` 和 `setInterval` 回调，并且是由 poll 阶段控制的。

在 timers 阶段其实使用一个最小堆而不是队列来保存所有的元素，其实也可以理解，因为timeout的callback是按照超时时间的顺序来调用的，并不是先进先出的队列逻辑）。而为什么 timer 阶段在第一个执行阶梯上其实也不难理解。在 Node 中定时器指定的时间也是不准确的，而这样，就能尽可能的准确了，让其回调函数尽快执行。

以下是官网给出的例子：

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。

### pending callbacks 阶段 ###

pending callbacks 阶段其实是 `I/O` 的 callbacks 阶段。比如一些 TCP 的 error 回调等。

举个栗子：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 阶段 ###

poll 阶段主要有两个功能：

*  执行 `I/O` 回调
 *  处理 poll 队列（poll queue）中的事件

当时Event Loop 进入到 poll 阶段并且 timers 阶段没有任何可执行的 task 的时候（也就是没有定时器回调），将会有以下两种情况

*  如果 poll queue 非空，则 Event Loop就会执行他们，知道为空或者达到system-dependent(系统相关限制)
 *  如果 poll queue 为空，则会发生以下一种情况
 *   *  如果setImmediate()有回调需要执行，则会立即进入到 check 阶段
     *  相反，如果没有setImmediate()需要执行，则 poll 阶段将等待 callback 被添加到队列中再立即执行，这也是为什么我们说 poll 阶段可能会阻塞的原因。

一旦 poll queue 为空，Event Loop就回去检查timer 阶段的任务。如果有的话，则会回到 timer 阶段执行回调。

### check 阶段 ###

check 阶段在 poll 阶段之后，`setImmediate()`的回调会被加入check队列中，他是一个使用`libuv API` 的特殊的计数器。

通常在代码执行的时候，Event Loop 最终会到达 poll 阶段，然后等待传入的链接或者请求等，但是如果已经指定了setImmediate()并且这时候 poll 阶段已经空闲的时候，则 poll 阶段将会被中止然后开始 check 阶段的执行。

### close callbacks 阶段 ###

如果一个 socket 或者事件处理函数突然关闭/中断(比如：`socket.destroy()`),则这个阶段就会发生 `close` 的回调执行。否则他会通过 `process.nextTick()` 发出。

### setImmediate() vs setTimeout() ###

`setImmediate()` 和 `setTimeout()`非常的相似，区别取决于谁调用了它。

*  `setImmediate`在 poll 阶段后执行，即check 阶段
 *  `setTimeout` 在 poll 空闲时且设定时间到达的时候执行，在 timer 阶段

计时器的执行顺序将根据调用它们的上下文而有所不同。如果两者都是从主模块中调用的，则时序将受到进程性能的限制。

例如，如果我们运行以下不在`I / O`周期（即主模块）内的脚本，则两个计时器的执行顺序是不确定的，因为它受进程性能的约束：

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

$ node timeout_vs_immediate.js
    timeout
    immediate
    
    $ node timeout_vs_immediate.js
    immediate
    timeout

如果在一个`I/O` 周期内移动这两个调用，则始终首先执行立即回调：

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

$ node timeout_vs_immediate.js
    immediate
    timeout
    
    $ node timeout_vs_immediate.js
    immediate
    timeout

所以与`setTimeout（）`相比，使用`setImmediate（）`的主要优点是，如果在`I / O`周期内安排了任何计时器，则`setImmediate（）`将始终在任何计时器之前执行，而与存在多少计时器无关。

### nextTick queue ###

可能你已经注意到`process.nextTick（）`并未显示在图中，即使它是异步API的一部分。所以他拥有一个自己的队列：`nextTickQueue`。

这是因为`process.nextTick（）`从技术上讲不是Event Loop的一部分。相反，无论当前事件循环的当前阶段如何，都将在当前操作完成之后处理`nextTickQueue`。

如果存在 `nextTickQueue`，就会清空队列中的所有回调函数，并且优先于其他 `microtask` 执行。

setTimeout(() => {
     console.log('timer1')
     Promise.resolve().then(function() {
       console.log('promise1')
     })
    }, 0)
    process.nextTick(() => {
     console.log('nextTick')
     process.nextTick(() => {
       console.log('nextTick')
       process.nextTick(() => {
         console.log('nextTick')
         process.nextTick(() => {
           console.log('nextTick')
         })
       })
     })
    })
    // nextTick=>nextTick=>nextTick=>nextTick=>timer1=>promise1

### process.nextTick() vs setImmediate() ###

从使用者角度而言，这两个名称非常的容易让人感觉到困惑。

*  `process.nextTick（）`在同一阶段立即触发
 *  `setImmediate（）`在事件循环的以下迭代或“tick”中触发

貌似这两个名称应该互换下！的确~官方也这么认为。但是他们说这是历史包袱，已经不会更改了。

> 这里还是建议大家尽可能使用setImmediate。因为更加的让程序可控容易推理。

至于为什么还是需要 `process.nextTick`，存在即合理。这里建议大家阅读官方文档：why-use-process-nexttick。

## Node与浏览器的 Event Loop 差异 ##

一句话总结其中：**浏览器环境下，microtask的任务队列是每个macrotask执行完之后执行。而在Node.js中，microtask会在事件循环的各个阶段之间执行，也就是一个阶段执行完毕，就会去执行microtask队列的任务。**

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> 上图来自浪里行舟

## 最后 ##

来~期末考试了

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')
        })
    })

评论区留下你的答案吧~~老铁！

## 参考文献 ##

*  Tasks, microtasks, queues and schedules
 *  libuv 文档
 *  The Node.js Event Loop, Timers, and process.nextTick()
 *  node 官网
 *  async/await 在chrome 环境和 node 环境的 执行结果不一致，求解？
 *  更快的异步函数和 Promise
 *  一次弄懂Event Loop（彻底解决此类面试问题）
 *  这一次，彻底弄懂 JavaScript 执行机制
 *  不要混淆nodejs和浏览器中的event loop

完

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[format_png 5]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9tbWJpei5xcGljLmNuL21tYml6X3BuZy91ZFpsMTVxcWliME5QSlltOTlmQ0toOVNVcTUybmtpYUYwNTU2OW5kamw4bG1yQUNrT3JYZkFWYmJTamZtV05iT0F4OWhyTG9NT2g0d0xDMThXamxuOE9nLzY0MA?x-oss-process=image/format,png
[format_png 6]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9tbWJpei5xcGljLmNuL21tYml6X3BuZy91ZFpsMTVxcWliME5QSlltOTlmQ0toOVNVcTUybmtpYUYwZ0ZsUnhKeXpPbnJnMHEzNEZSMUlvbnNQSmxpYzJhZXg2dUZveWlja3NCalZYdUx1cWlhTHVQN2x3LzY0MA?x-oss-process=image/format,png
[format_png 7]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9tbWJpei5xcGljLmNuL21tYml6X3BuZy91ZFpsMTVxcWliME5QSlltOTlmQ0toOVNVcTUybmtpYUYwVkRhR0RNY2hTZDh3WnZTQU5QVFBMb0oyd0ozdjNOTmlhWGZaS0hwSnZpY1E0RVBTZzVEQ0k3SEEvNjQw?x-oss-process=image/format,png
[format_png 8]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9tbWJpei5xcGljLmNuL21tYml6X3BuZy91ZFpsMTVxcWliME5QSlltOTlmQ0toOVNVcTUybmtpYUYwbndFaWNkTlRTTWJoamN4NHpIeDRnR3FVY1IyNnowTDZUaGlhbjJQdlo2WkZLd3liNlBrajVySEEvNjQw?x-oss-process=image/format,png
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