JavaScript 运行机制

JavaScript 运行机制

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• 一、为什么JavaScript是单线程？
• 二、任务队列
• 三、事件和回调函数
• 四、Event Loop
• 五、定时器
• 六、Node.js的Event Loop
• 七、关于setTimeout的测试

一、为什么JavaScript是单线程？

JavaScript语言是单线程，也就是说，同一个时间只能做一件事。

JavaScript的单线程，与它的用途有关。作为浏览器脚本语言，JavaScript的主要用途是与用户互动，以及操作DOM。这决定了它只能是单线程，否则会带来很复杂的同步问题。比如，假定JavaScript同时有两个线程，一个线程在某个DOM节点上添加内容，另一个线程删除了这个节点，这时浏览器应该以哪个线程为准？

所以，为了避免复杂性，从一诞生，JavaScript就是单线程，这已经成了这门语言的核心特征，将来也不会改变。

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。

 

二、任务队列

单线程就意味着，所有任务需要排队，前一个任务结束，才会执行后一个任务。如果前一个任务耗时很长，后一个任务就不得不一直等着。

如果排队是因为计算量大，CPU忙不过来，倒也算了，但是很多时候CPU是闲着的，因为IO设备（输入输出设备）很慢（比如Ajax操作从网络读取数据），不得不等着结果出来，再往下执行。

JavaScript语言的设计者意识到，这时主线程完全可以不管IO设备，挂起处于等待中的任务，先运行排在后面的任务。等到IO设备返回了结果，再回过头，把挂起的任务继续执行下去。

于是，所有任务可以分成两种，一种是同步任务（synchronous），另一种是异步任务（asynchronous）。同步任务指的是，在主线程上排队执行的任务，只有前一个任务执行完毕，才能执行后一个任务；异步任务指的是，不进入主线程、而进入"任务队列"（task queue）的任务，只有"任务队列"通知主线程，某个异步任务可以执行了，该任务才会进入主线程执行。

任务的执行实质上分为两步：①.执行，②.获取执行结果。  

具体来说，异步执行的运行机制如下。（同步执行也是如此，因为它可以被视为没有任务队列的异步执行。）

（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）。
（2）主线程之外，还存在一个"任务队列"（taskqueue）。只要异步任务有了运行结果，就在"任务队列"之中放置一个相应的回调函数。
（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，于是结束等待状态，进入执行栈，开始执行。
（4）主线程不断重复上面的第三步。

同步执行：执行后等待直到获取执行结果；

异步执行：执行后不等待，而是通过一系列手段（轮询、事件监听和event loop等）获取执行结果，而在执行后和获取结果前的那段时间可以介入其他任务操作。

三、事件和回调函数

"任务队列"是一个事件的队列（也可以理解成消息的队列），IO设备完成一项任务，就在"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"了。主线程读取"任务队列"，就是读取里面有哪些事件。

"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。

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，由于存在后文提到的"定时器"功能，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。

异步任务补充

onclick等：由浏览器内核的 DOM Binding 模块来处理，当事件触发的时候，回调函数会立即添加到任务队列中。
setTimeout（setInterval）：会由浏览器内核的 timer 模块来进行延时处理，当时间到达的时候，才会将回调函数添加到任务队列中。这跟之后与setImmediate执行比较有关
ajax： 会由浏览器内核的 network 模块来处理，在网络请求完成返回之后，才将回调添加到任务队列中。

四、Event Loop

主线程运行的时候，产生堆（heap）和栈（stack），栈中的代码调用各种外部API，它们在"任务队列"中加入各种事件（click，load，done）。只要栈中的代码执行完毕，主线程就会去读取"任务队列"，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。请看下面这个例子。

var req = new XMLHttpRequest();
req.open('GET', url);
req.onload = function (){};
req.onerror = function (){};
req.send();

上面代码中的req.send方法是Ajax操作向服务器发送数据，它是一个异步任务，意味着只有当前脚本的所有代码执行完，系统才会去读取"任务队列"。所以，它与下面的写法等价。

var req = new XMLHttpRequest();
req.open('GET', url);
req.send();
req.onload = function (){};
req.onerror = function (){};

也就是说，指定回调函数的部分（onload和onerror），在send()方法的前面或后面无关紧要，因为它们属于执行栈的一部分，系统总是执行完它们，才会去读取"任务队列"。

五、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。

定时器功能主要由setTimeout()和setInterval()这两个函数来完成，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，后者则为反复执行。以下主要讨论setTimeout()。

setTimeout()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。

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；与下边的对比

console.log(1);
setTimeout(function(){console.log(2);},0);
console.log(3);

执行结果也是1，3，2。说明setTimeout()的回调函数被挂起了，当执行栈的代码执行完之后，才会执行。

看看下边：

console.log(1);
setTimeout(function(){console.log(4);},0);
setTimeout(function(){console.log(2);},100);
console.log(3);

执行的结果是1,3,4,2；与下边的对比

console.log(1);
setTimeout(function(){console.log(4);},0);
setTimeout(function(){console.log(2);},0);
console.log(3);

执行的结果还是1,3,4,2。说明任务队列是按照先进先出的顺序执行的。

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。在此之前，老版本的浏览器都将最短间隔设为10毫秒。另外，对于那些DOM的变动（尤其是涉及页面重新渲染的部分），通常不会立即执行，而是每16毫秒执行一次。这时使用requestAnimationFrame()的效果要好于setTimeout()。

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。请看下面这个例子。

var startTime = new Date();
console.log(new Date().getTime());
setTimeout(function () {
    console.log(new Date().getTime());
    console.log(new Date() - startTime)
},100)

执行结果是：

1498962204851
1498962204959
160

六、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。

请看下面的示意图（作者@BusyRich）。

根据上图，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"的尾部触发回调函数。也就是说，它指定的任务总是在当前执行栈清空之后执行。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（via StackOverflow）。

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

执行结果：

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);

多次执行结果（T.T修改）：

TIMEOUT FIRED
1
2

与下边的对比：

setTimeout(function timeout() {
    console.log('TIMEOUT FIRED');
}, 10);

多次执行结果：

1
TIMEOUT FIRED
2

再与下边的对比：

setTimeout(function timeout() {
    console.log('TIMEOUT FIRED');
}, 1000);

多次执行结果：

1
2
TIMEOUT FIRED

好像跟说的对不上。但是想想又对。结合这句话setTimeout再来看。

（T.T添加）setTimeout和setInterval的运行机制是，将指定的代码移出本次执行，等到下一轮Event Loop前，再检查是否到了指定时间。如果到了，就执行对应的代码；如果不到，就等到再下一轮Event Loop时重新判断。这意味着，setTimeout指定的代码，必须等到本次执行的所有代码都执行完，才会执行。

（T.T添加）每一轮Event Loop时，都会将“任务队列”中需要执行的任务，一次执行完。setTimeout和setInterval都是把任务添加到“任务队列”的尾部。因 此，它们实际上要等到当前脚本的所有同步任务执行完，然后再等到本次Event Loop的“任务队列”的所有任务执行完，才会开始执行。由于前面的任务到底需要多少时间执行完，是不确定的，所以没有办法保证，setTimeout和 setInterval指定的任务，一定会按照预定时间执行。

（T.T添加）分析一下,timeout的执行先后跟着延时改变，

• 延时为0，第一执行，检测到时机已到，直接执行；setImmediate要检查栈是否清空，就比timeout慢了一拍
• 延时为10，第二执行，第一次完成检查栈是否清空时，时间还不到10ms，然后执行输出了1，第二次完成检查栈是否清空，时间就已经超过10ms，即先timeout输出，然后2
• 延时为100，第三执行，两次完成检查是否清空栈都在100ms之前，先输出1,2，在执行timeout

测试setImmediate检查延时一次约1ms--2ms。

由于setTimeout存在时间精度，因此setTimeout(handler,0)中setTimeout事件插入事件队列的延时必定大于0ms，而handler的执行延时则更大了。具体为IE5~8和不插电源的IE9的时间精度为15.6ms，插电源的IE9和其他浏览器则为4ms。跟（五、定时器）的说法一致

七、关于setTimeout的测试

for (var i = 0; i < 5; i++) {
  console.log(i);
}

for (var i = 0; i < 5; i++) {
  setTimeout(function() {
    console.log(i);
  }, 1000 * i);
}

for (var i = 0; i < 5; i++) {
  (function(i) {
    setTimeout(function() {
      console.log(i);
    }, i * 1000);
  })(i);
}

for (var i = 0; i < 5; i++) {
  (function() {
    setTimeout(function() {
      console.log(i);
    }, i * 1000);
  })(i);
}

for (var i = 0; i < 5; i++) {
  setTimeout((function(i) {
    console.log(i);
  })(i), i * 1000);
}

setTimeout(function() {
  console.log(1)
}, 0);
new Promise(function executor(resolve) {
  console.log(2);
  for( var i=0 ; i<10000 ; i++ ) {
    i == 9999 && resolve();
  }
  console.log(3);
}).then(function() {
  console.log(4);
});
console.log(5);

要多思考，不记录了。

少原创，看了很多文章，写了一遍之后还是有疑问就又查了资料来补充。上文有什么感觉不对的欢迎指出。感谢。

10.31补：每次回顾这篇文章，也会有一些理解偏差的，甚至是错误的地方，所以，多看看，多考证吧；

参考文章：

• JavaScript 运行机制详解：深入理解Event Loop
• 一次围绕setTimeout展开的前端面试
• 杂七杂八JS ：深入理解 函数、匿名函数、自执行函数