# JS运行机制-Event Loop（事件循环）

# 一、为什么JavaScript是单线程？

单线程：同一个时间只能做一件事。为什么是单线程？

因为在 JS 运行的时候可能会阻止 UI 渲染，这说明了两个线程是互斥的。这其中的原因是因为 JS 可以修改 DOM，如果在 JS 执行的时候 UI 线程还在工作，就可能导致不能安全的渲染 UI。

为了利用多核CPU的计算能力，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，这个新标准并没有改变JavaScript单线程的本质。

# 进程和线程

本质上来说，两个名词都是 CPU 工作时间片的一个描述。

进程描述了 CPU 在运行指令及加载和保存上下文所需的时间，放在应用上来说就代表了一个程序。线程是进程中的更小单位，描述了执行一段指令所需的时间。

当打开一个 Tab 页时，其实就是创建了一个进程，一个进程中可以有多个线程，比如渲染线程、JS 引擎线程、HTTP 请求线程等等。当你发起一个请求时，其实就是创建了一个线程，当请求结束后，该线程可能就会被销毁。

# 二、事件循环(Event Loop)

当我们打开网站时，网页的渲染过程就是一大堆同步任务，比如页面骨架和页面元素的渲染。而像加载图片音乐之类占用资源大耗时久的任务，就是异步任务。关于这部分有严格的文字定义，但本文的目的是用最小的学习成本彻底弄懂执行机制，所以我们用导图来说明：

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并注册回调函数。
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)。

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

我们不禁要问了，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。

下面是一段简易的ajax请求代码：

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

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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。

# 关于setTimeout

我们经常这么实现延时3秒执行：

setTimeout(() => {
    console.log('延时3秒');
},3000);

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渐渐的setTimeout用的地方多了，问题也出现了，有时候明明写的延时3秒，实际却5，6秒才执行函数，这又咋回事啊？

我们修改一下前面的代码：

setTimeout(() => {
    task()
},3000)

sleep(10000000)

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乍一看其实差不多嘛，但我们把这段代码在chrome执行一下，却发现控制台执行task()需要的时间远远超过3秒，说好的延时三秒，为啥现在需要这么长时间啊？

这时候我们需要重新理解setTimeout的定义。我们先说上述代码是怎么执行的：

task()进入Event Table并注册,计时开始。
执行sleep函数，很慢，非常慢，计时仍在继续。
3秒到了，计时事件timeout完成，task()进入Event Queue，但是sleep也太慢了吧，还没执行完，只好等着。
sleep终于执行完了，task()终于从Event Queue进入了主线程执行。

上述的流程走完，我们知道setTimeout这个函数，是经过指定时间后，把要执行的任务(本例中为task())加入到Event Queue中，又因为是单线程任务要一个一个执行，如果前面的任务需要的时间太久，那么只能等着，导致真正的延迟时间远远大于3秒。

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。

我们还经常遇到setTimeout(fn,0)这样的代码，0秒后执行又是什么意思呢？是不是可以立即执行呢？答案是不会的，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，意思就是不用再等多少秒了，只要主线程执行栈内的同步任务全部执行完成，栈为空就马上执行。

关于setTimeout要补充的是，即便主线程为空，0毫秒实际上也是达不到的。根据HTML的标准，最低是4毫秒。

# 关于setInterval

上面说完了setTimeout，当然不能错过它的孪生兄弟setInterval。他俩差不多，只不过后者是循环的执行。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Event Queue，如果前面的任务耗时太久，那么同样需要等待。唯一需要注意的一点是，对于setInterval(fn,ms)来说，我们已经知道不是每过ms秒会执行一次fn，而是每过ms秒，会有fn进入Event Queue。一旦setInterval的回调函数fn执行时间超过了延迟时间ms，那么就完全看不出来有时间间隔了。

# 宏任务和微任务

除了广义的同步任务和异步任务，我们对任务有更精细的定义：

macro-task(宏任务)：包括 script （主代码块）、setTimeout 、setInterval 、setImmediate 、I/O 、UI rendering
micro-task(微任务)：Promise.then(非new Promise)，process.nextTick（node中）、Object.observe 、MutationObserver

在ES6中，microtask称为 jobs，macrotask称为 task。

不同类型的任务会进入对应的Event Queue，比如setTimeout和setInterval会进入相同的Event Queue。

事件循环的顺序，决定js代码的执行顺序。进入整体代码(宏任务)后，开始第一次循环。接着执行所有的微任务。然后再次从宏任务开始，找到其中一个任务队列执行完毕，再执行所有的微任务。

听起来有点绕，我们用文章最开始的一段代码说明：

setTimeout(function() {
    console.log('setTimeout');
})

new Promise(function(resolve) {
    console.log('promise');
}).then(function() {
    console.log('then');
})

console.log('console');

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这段script代码作为宏任务，进入主线程。
先遇到setTimeout，那么将其回调函数注册后分发到宏任务Event Queue。
接下来遇到了Promise，new Promise立即执行，输出'promise'，then函数分发到微任务Event Queue。
遇到console.log()，立即执行，输出'console'。
整体代码script作为第一个宏任务执行结束，看看有哪些微任务？我们发现了then在微任务Event Queue里面，但是由于new Promise的时候没有执行resolve方法，所以不会输出'then'。
ok，第一轮事件循环结束了，我们开始第二轮循环，当然要从宏任务Event Queue开始。我们发现了宏任务Event Queue中setTimeout对应的回调函数，立即执行，输出'setTimeout'。
结束。

事件循环，宏任务，微任务的关系如图所示：

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')
    })
})

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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。

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process3和then3。
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)

# 关于async和await

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')
// script start => async2 end => Promise => script end => promise1 => promise2 => async1 end => setTimeout

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首先先来解释下上述代码的 async 和 await 的执行顺序。当我们调用 async1 函数时，会马上输出 async2 end，并且函数返回一个 Promise，接下来在遇到await的时候会就让出线程开始执行 async1 外的代码，所以我们完全可以把await看成是让出线程的标志。

然后当同步代码全部执行完毕以后，就会去执行所有的异步代码，那么又会回到 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，接下来去执行 then 中的回调，当两个 then 中的回调全部执行完毕以后，又会回到 await 的位置处理返回值，这时候你可以看成是 Promise.resolve(返回值).then()，然后 await 后的代码全部被包裹进了 then 的回调中，所以 console.log('async1 end')会优先执行于 setTimeout。

如果你觉得上面这段解释还是有点绕，那么我把 async 的这两个函数改造成你一定能理解的代码

new Promise((resolve, reject) => {
  console.log('async2 end')
  // Promise.resolve() 将代码插入微任务队列尾部
  // resolve 再次插入微任务队列尾部
  resolve(Promise.resolve())
}).then(() => {
  console.log('async1 end')
})

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也就是说，如果 await 后面跟着 Promise 的话，async1 end 需要等待三个 tick 才能执行到。那么其实这个性能相对来说还是略慢的，所以 V8 团队借鉴了 Node 8 中的一个 Bug，在引擎底层将三次 tick 减少到了二次 tick。但是这种做法其实是违法了规范的，当然规范也是可以更改的，这是 V8 团队的一个 PR，目前已被同意这种做法。

# 浏览器相关线程

浏览器（多进程）包含了Browser进程（浏览器的主进程）、第三方插件进程和GPU进程（浏览器渲染进程），其中GPU进程（多线程）和Web前端密切相关，包含以下线程：

GUI渲染线程
JS引擎线程
事件触发线程（和EventLoop密切相关）
定时触发器线程
异步HTTP请求线程

GUI渲染线程和JS引擎线程是互斥的，为了防止DOM渲染的不一致性，其中一个线程执行时另一个线程会被挂起。

这些线程中，和Vue的nextTick息息相关的是JS引擎线程和事件触发线程。

浏览器页面初次渲染完毕后，JS引擎线程结合事件触发线程的工作流程如下：

（1）同步任务在JS引擎线程（主线程）上执行，形成执行栈（Execution Context Stack）。

（2）主线程之外，事件触发线程管理着一个任务队列（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。

（3）执行栈中的同步任务执行完毕，系统就会读取任务队列，如果有异步任务需要执行，将其加到主线程的执行栈并执行相应的异步任务。

主线程的执行流程如下图所示：

# 事件循环机制

事件触发线程管理的任务队列是如何产生的呢？事实上这些任务就是从JS引擎线程本身产生的，主线程在运行时会产生执行栈，栈中的代码调用某些异步API时会在任务队列中添加事件，栈中的代码执行完毕后，就会读取任务队列中的事件，去执行事件对应的回调函数，如此循环往复，形成事件循环机制，如下图所示：

宏任务和微任务的区别：

宏任务是每次执行栈执行的代码（包括每次从事件队列中获取一个事件回调并放到执行栈中执行）
浏览器为了能够使得JS引擎线程与GUI渲染线程有序切换，会在当前宏任务结束之后，下一个宏任务执行开始之前，对页面进行重新渲染（宏任务 > 渲染 > 宏任务 > ...）
微任务是在当前宏任务执行结束之后立即执行的任务（在当前宏任务执行之后，UI渲染之前执行的任务）。微任务的响应速度相比setTimeout（下一个宏任务）会更快，因为无需等待UI渲染。
当前宏任务执行后，会将在它执行期间产生的所有微任务都执行一遍。

根据事件循环机制，重新梳理一下流程：

执行一个宏任务（首次执行的主代码块或者任务队列中的回调函数）
执行过程中如果遇到微任务，就将它添加到微任务的任务队列中
宏任务执行完毕后，立即执行当前微任务队列中的所有任务（依次执行）
JS引擎线程挂起，GUI线程执行渲染
GUI线程渲染完毕后挂起，JS引擎线程执行任务队列中的下一个宏任务

参考

# 三、Node端事件循环

Node的事件循环依靠libuv引擎。当Node.js 启动, 就会初始化一个 event loop, 处理脚本时, 可能会发生异步API行为调用, 使用定时器任务或者nexTick, 处理完成后进入事件循环处理过程。这里展示了在node的事件循环的6个阶段。

images

每一个阶段都有一个FIFO的callbacks队列, 每个阶段都有自己的事件处理方式。当事件循环进入某个阶段时, 将会在该阶段内执行回调，直到队列耗尽或者回调的最大数量已执行, 那么将进入下一个处理阶段。

timers 阶段: 这个阶段执行setTimeout(callback) 和 setInterval(callback)预定的callback;
I/O callbacks 阶段: 执行除了close事件的callbacks、被timers(定时器，setTimeout、setInterval等)设定的callbacks、setImmediate()设定的callbacks之外的callbacks; (目前这个阶段)
idle, prepare 阶段: 仅node内部使用;
poll 阶段: 获取新的I/O事件, 适当的条件下node将阻塞在这里;
check 阶段: 执行setImmediate() 设定的callbacks;
close callbacks 阶段: 比如socket.on(‘close’, callback)的callback会在这个阶段执行.

参考

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