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事件循环机制的那些事

前端迷

共 5346字，需浏览 11分钟

 ·

2020-12-31 22:24

作者 | 可达呱呱鸭

写在前面

校招笔试中我们经常会遇到这样一个问题：

  1. 写出下面代码的运行结果：
  3. console.log('1');
  4. setTimeout(function () {
  5.     console.log('2');
  6. }, 0);
  7. setTimeout(function () {
  8.     console.log('3');
  9. }, 2000);
  10. console.log('4');

看完这道题的我自信的写下了答案： 1,2,4,3

面试官：为什么是这个答案？

我：首先打印 1，遇到定时器，等待时间为0，所以打印 2，又遇到一个定时器，等待时间为2秒，所以先打印 4，两秒后打印 3。

然后就......

与这段代码相关的知识点就是JavaScript事件循环机制，下面将从有关的基本概念出发，先了解了相关的概念，才能更好的理解事件循环的机制原理。以下都是自己的个人理解，如有不正确的地方，欢迎大家在评论区拍砖。

线程与进程

关于线程与进程的关系可以用下面的图进行说明：

  • 进程好比图中的工厂，有单独的专属自己的工厂资源。

  • 线程好比图中的工人，多个工人在一个工厂中协作工作，工厂与工人是 1:n的关系。

  • 多个工厂之间独立存在。

而官方的说法是：

  • 进程是 CPU资源分配的最小单位。

  • 线程是 CPU调度的最小单位。

从更直观的例子来看，可以打开任务管理器查看，第一个 tab便是进程列表，每一个进程占有的 CPU资源和内存资源的比例很直观的展示出来。

为什么js是单线程

初学计算机语言的时候，无论是 C、C++还是 JAVA，都是支持多线程，偏偏 JavaScript是单线程，不支持多线程，这也跟 JavaScript的作用有关，都知道 JavaScript是主要运行在浏览器的脚本语言，最终操作的是页面的 DOM结构，当两个 JavaScript脚本同时修改页面的同一个 DOM节点时，浏览器该执行哪个呢？所以当时设计 JavaScript时，便要求当前修改操作完成后方可进行下一步修改操作。

浏览器是支持多进程

同样我们打开浏览器的任务管理器，以下图为例：

浏览器的每一个 tab页都是一个进程，有对应的内存占用空间、 CPU使用量以及进程ID。 新打开一个 tab页时，都会新建一个进程，所以就有一个 tab页对应一个进程的说法，但是这种说法又是错误的，因为浏览器有自己的优化机制，当我们打开多个空白的 tab页时，浏览器会将这多个空白页的进程合并为一个，从而减少了进程的数量个数。

浏览器内核

浏览器内核中有多个进程在同步工作，今天涉及到的浏览器的进程主要包括以下进程：

  • Browser 进程

主进程，主要负责页面管理以及管理其他进程的创建和销毁等，常驻的线程有：

  • GUI渲染线程

  • JS引擎线程

  • 事件触发线程

  • 定时器触发线程

  • HTTP请求线程

GUI渲染线程

  • 主要负责页面的渲染，解析HTML、CSS，构建DOM树，布局和绘制等。

  • 当界面需要重绘或者由于某种操作引发回流时，将执行该线程。

  • 该线程与JS引擎线程互斥，当执行JS引擎线程时，GUI渲染会被挂起，当任务队列空闲时，JS引擎才会去执行GUI渲染。

JS引擎线程

  • 该线程当然是主要负责处理 JavaScript脚本，执行代码。

  • 也是主要负责执行准备好待执行的事件，即定时器计数结束，或者异步请求成功并正确返回时，将依次进入任务队列，等待 JS引擎线程的执行。

  • 当然，该线程与 GUI渲染线程互斥，当 JS引擎线程执行 JavaScript脚本时间过长，将导致页面渲染的阻塞。

事件触发线程

  • 主要负责将准备好的事件交给 JS引擎线程执行。

  • 比如 setTimeout定时器计数结束， ajax等异步请求成功并触发回调函数，或者用户触发点击事件时，该线程会将整装待发的事件依次加入到任务队列的队尾，等待 JS引擎线程的执行。

定时器触发线程

  • 顾名思义，负责执行异步定时器一类的函数的线程，如： setTimeout，setInterval。

  • 主线程依次执行代码时，遇到定时器，会将定时器交给该线程处理，当计数完毕后，事件触发线程会将计数完毕后的事件加入到任务队列的尾部，等待JS引擎线程执行。

HTTP请求线程

  • 顾名思义，负责执行异步请求一类的函数的线程，如： Promise，anxios，ajax等。

  • 主线程依次执行代码时，遇到异步请求，会将函数交给该线程处理，当监听到状态码变更，如果有回调函数，事件触发线程会将回调函数加入到任务队列的尾部，等待JS引擎线程执行。

多个线程之间配合工作，各司其职。

  • Render 进程

浏览器渲染进程（浏览器内核），主要负责页面的渲染、JS执行以及事件的循环。

同步任务和异步任务

  • 同步任务 即可以立即执行的任务，例如 console.log() 打印一条日志、声明一个变量或者执行一次加法操作等。

  • 异步任务 相反不会立即执行的事件任务。异步任务包括宏任务和微任务(后面会进行解释~)。

  • 常见的异步操作：

    • Ajax

    • DOM的事件操作

    • setTimeout

    • Promise的then方法

    • Node的读取文件

下图给出了同步任务与异步任务的执行流程：

  • 栈 就像是一个容器，任务都是在栈中执行。

  • 主线程 就像是操作员，负责执行栈中的任务。

  • 任务队列 就像是等待被加工的物品。

  • 异步任务完成注册后会将回调函数加入任务队列等待主线程执行。

  • 执行栈中的同步任务执行完毕后，会查看并读取任务队列中的事件函数，于是任务队列的函数结束等待状态，进入执行栈，开始执行。

那么任务到底是如何入栈和出栈的呢？可以用一小段代码进行解释。

入栈与出栈

以下面的代码为例：

  1. console.log(1);
  2. function fn1 () {
  3.     console.log(2);
  4. }
  5. function fn2 () {
  6.     console.log(3);
  7.     fn1();
  8. }
  9. setTimeout (function () {
  10.     console.log(4);
  11. }, 2000);
  12. fn2();
  13. console.log(5);

所以上面代码运行的结果为：1,3,2,5,4。

宏任务和微任务

异步任务分为宏任务和微任务，宏任务队列可以有多个，微任务队列只有一个。

宏任务和微任务的执行方式在浏览器和 Node 中有差异。

宏任务（macrotask）

script(全局任务)， setTimeout， setInterval， setImmediate， I/O， UI rendering

微任务（macrotask）

process.nextTick， Promise.then()， Object.observe， MutationObserver

在微任务中 process.nextTick 优先级高于Promise

当一个异步任务入栈时，主线程判断该任务为异步任务，并把该任务交给异步处理模块处理，当异步处理模块处理完打到触发条件时，根据任务的类型，将回调函数压入任务队列。

  • 如果是宏任务，则新增一个宏任务队列，任务队列中的宏任务可以有多个来源。

  • 如果是微任务，则直接压入微任务队列。

所以上图的任务队列可以继续细化一下：

那么当栈为空时，宏任务和微任务的执行机制又是什么呢？

Event Loop

到这里，除了上面的问题，我们已经把事件循环的最基本的处理方式搞清楚了，但具体到异步任务中的宏任务和微任务，还没有弄明白。我们可以先顺一遍执行机制：

  • 从全局任务 script开始，任务依次进入栈中，被主线程执行，执行完后出栈。

  • 遇到异步任务，交给异步处理模块处理，对应的异步处理线程处理异步任务需要的操作，例如定时器的计数和异步请求监听状态的变更。

  • 当异步任务达到可执行状态时，事件触发线程将回调函数加入任务队列，等待栈为空时，依次进入栈中执行。

到这问题就来了，当异步任务进入栈执行时，是宏任务还是微任务呢？

  • 由于执行代码入口都是全局任务 script，而全局任务属于宏任务，所以当栈为空，同步任务任务执行完毕时，会先执行微任务队列里的任务。

  • 微任务队列里的任务全部执行完毕后，会读取宏任务队列中拍最前的任务。

  • 执行宏任务的过程中，遇到微任务，依次加入微任务队列。

  • 栈空后，再次读取微任务队列里的任务，依次类推。

实例解析

回到最开始的那段代码，现在我们可以一步一步的看一下执行顺序。

  1. console.log('1');
  2. setTimeout(function () {
  3.     console.log('2');
  4. }, 0);
  5. setTimeout(function () {
  6.     console.log('3');
  7. }, 2000);
  8. console.log('4');

  • 从全局任务入口，首先打印日志 1，

  • 遇到宏任务 setTimeout，交给异步处理模块，我们暂且先记为 setTimeout1，

  • 再次遇到宏任务 setTimeout，交给异步处理模块，我们暂且先记为 setTimeout2，

  • 顺序执行，打印日志 4，

  • 此时同步任务已执行完毕，读取宏任务队列的任务，先执行 setTimeout1的回调函数，因为定时器的等待时间为 0秒，所以会直接输出 2，但是 W3C在 HTML标准中规定，规定要求 setTimeout中低于 4ms的时间间隔算为 4ms，

  • 由于浏览器在执行以上三步时，并未耗时很久，所以当宏任务 setTimeout1执行完时， setTimeout2的等待时间并未结束，所以在 2秒后打印日志 3，实际上并未等待2秒。

下面我们可以再看一个实例：

  1. setTimeout(function () {
  2.     console.log(1);
  3.     Promise.resolve().then(function () {
  4.         console.log(2);
  5.     });
  6. }, 0);
  7. setTimeout(function () {
  8.     console.log(3);
  9. }, 0);
  10. Promise.resolve().then(function () {
  11.     console.log(4);
  12. });
  13. console.log(5);

当代码中遇到了异步请求的事件，又该如何执行，根据上面总结的执行机制，又该得到什么样的结果？

第一轮循环

  • 同样从全局任务入口，遇到宏任务 setTimeout，交给异步处理模块，我们暂且先记为 setTimeout1，由于等待时间为 0，直接加入宏任务队列。

  • 再次遇到宏任务 setTimeout，交给异步处理模块，我们暂且先记为 setTimeout2，同样直接加入宏任务队列。

  • 遇到微任务 then()，加入微任务队列。

  • 最后遇到打印语句，直接打印日志 5。

第一轮循环结束后，可以画出下图：

第二轮循环

  • 栈空后，先执行微任务队列中的 then()方法，输出 4，此时微任务队列为空。

  • 读取宏任务队列的最靠前的任务 setTimeout1。

  • 先直接执行打印语句，打印日志 1，又遇到微任务 then()，加入微任务队列。第二轮循环结束。

第三轮循环

  • 先执行微任务队列中的 then()方法，输出 2，此时微任务队列为空。

  • 继续读取宏任务队列的最靠前的任务 setTimeout2。

  • 直接执行打印语句，打印日志 3。第三轮循环结束，执行完毕。

最后我们是我们的boss，欢迎大家在评论区留言写出自己心中的那个正确答案。

  1. console.log('1');
  2. setTimeout(function() {
  3.     console.log('2');
  4.     new Promise(function(resolve) {
  5.         console.log('3');
  6.         resolve();
  7.     }).then(function() {
  8.         console.log('4')
  9.     })
  10. })
  11. new Promise(function(resolve) {
  12.         console.log('5');
  13.         resolve();
  14. }).then(function() {
  15.         console.log('6')
  16. })
  17. setTimeout(function() {
  18.     console.log('7');
  19. })
  20. setTimeout(function() {
  21.     console.log('8');
  22.     new Promise(function(resolve) {
  23.         console.log('9');
  24.         resolve();
  25.     }).then(function() {
  26.         console.log('10')
  27.     })
  28. })
  29. new Promise(function(resolve) {
  30.     console.log('11');
  31.     resolve();
  32. }).then(function() {
  33.     console.log('12')
  34. })
  35. console.log('13');


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