JavaScript的異步實現

我們經常說JS是單線程的，比如node.js研討會上大家都說JS的特色之一是單線程的，這樣使JS更簡單明瞭，可是大家真的理解所謂JS的單線程機制嗎？單線程時，基於事件的異步機制又該當如何，這些知識在《JavaScript權威指南》並沒有介紹，我也一直困惑了，直到看到一篇外文，纔有了些眉目，這裏與大家分享下。翻譯的過程中，發現已有人翻譯了這篇文章，於是乎，在某些語句上，借鑑了下。文章網址：鏈接。後來發現《JavaScript高級程序設計》高級定時器和循環定時器介紹過，不過覺得沒我翻譯這篇原文介紹得更透徹，覺得我寫的不好的，可以查看原外文。

1         先看下兩個例子

1.1.       簡單的settimeout 

setTimeout(function () { while (true) { } }, 1000);

setTimeout(function () { alert('end 2'); }, 2000);

setTimeout(function () { alert('end 1'); }, 100);

alert('end');

執行的結果是彈出’end’、’end 1’，然後瀏覽器假死，就是不彈出‘end 2’。也就是說第一個settimeout裏執行的時候是一個死循環，這個直接導致了理論上比它晚一秒執行的第二個settimeout裏的函數被阻塞，這個和我們平時所理解的異步函數多線程互不干擾是不符的。


附計時器使用方法

--初始化一個簡單的js的計時器，一段時間後，才觸發並執行回調函數。 setTimeout 返回一個唯一id,可用這個id來取消這個計時器。

var id = setTimeout(fn,delay);

 

--類似於setTimeout,不一樣的是，每隔一段時間，會持續調用回調fn，直到被取消

var id = setInterval(fn,delay);

 

--傳入一個計時器的id,取消計時器。

clearInterval(id);

clearTimeout(id);

1.2.       ajax請求回調

接着我們來測試一下通過xmlhttprequest實現ajax異步請求調用，主要代碼如下：

var xmlReq = createXMLHTTP();//創建一個xmlhttprequest對象

function testAsynRequest() {

    var url = "/AsyncHandler.ashx?action=ajax";

    xmlReq.open("post", url, true);

    xmlReq.setRequestHeader("Content-Type", "application/x-www-form-urlencoded");

    xmlReq.onreadystatechange = function () {

        if (xmlReq.readyState == 4) {

            if (xmlReq.status == 200) {

                var jsonData = eval('(' + xmlReq.responseText + ')');

                alert(jsonData.message);

            }

            else if (xmlReq.status == 404) {

                alert("Requested URL is not found.");

            } else if (xmlReq.status == 403) {

                alert("Access denied.");

            } else {

                alert("status is " + xmlReq.status);

            }

        }

    };

    xmlReq.send(null);

}

testAsynRequest();//1秒後調用回調函數

 

while (true) {

}

在服務端實現簡單的輸出：

private void ProcessAjaxRequest(HttpContext context)

{

    string action = context.Request["ajax"];

    Thread.Sleep(1000);//等1秒

    string jsonObject = "{\"message\":\"" + action + "\"}";

    context.Response.Write(jsonObject);

}

理論上，如果ajax異步請求，它的異步回調函數是在單獨一個線程中，那麼回調函數必然不被其他線程”阻撓“而順利執行，也就是1秒後，它回調執行彈出‘ajax’，可是實際情況並非如此，回調函數無法執行，因爲瀏覽器再次因爲死循環假死。

據上面兩個例子，總結如下：

1. JavaScript引擎是單線程運行的,瀏覽器無論在什麼時候都只且只有一個線程在運行JavaScript程序。
   
2. JavaScript引擎用單線程運行也是有意義的,單線程不必理會線程同步這些複雜的問題,問題得到簡化。

2.JavaScript引擎

可JS內部究竟如何實現，我們在接下來探討。


　　在瞭解計時器內部運作前，我們必須清楚一點，觸發和執行並不是同一概念，計時器的回調函數一定會在指定delay的時間後被觸發，但並不一定立即執行，可能需要等待。所有JavaScript代碼是在一個線程裏執行的，像鼠標點擊和計時器之類的事件只有在JS單線程空閒時才執行。


　　我們來看一下圖表，一開始你可能並沒發現什麼或啥都不懂，但請靜下心來，在腦海裏繪製出這個場景

這個圖表中有許多數據信息等着我們去理解，當你完全理解了這個圖，你會對js的異步運行機制（即JavaScript引擎如何實現異步事件）有很好的瞭解。這個圖是一維的，垂直線上是以毫秒計位，藍色塊代表被劃分的不同的js區域執行代碼。例如，第一個JS區塊執行了18毫秒，鼠標點擊事件被阻塞了將近11毫秒，等等。


　　由於JavaScript引擎同一時間只執行一段代碼（這是由JavaScript單線程的性質決定的），所以每個JS代碼塊阻塞了其它異步事件的進行。這意味着當一個異步事件（像鼠標點擊、計時器、Ajax）發生時，這些事件的回調函數將排在隊列後面等待執行（如何排隊完全取決於各瀏覽器，而我們可以忽視它們內部差異，作一個簡化處理）。 


　　我們首先從第一個JS代碼塊開始，有兩個計時器被初始化：一個10ms的setTimeout和一個10ms的setInterval.觀察計時器初始化位置，（計時器初始化完畢後就會開始計時），發現setTimeout計時器的回調實際上會在第一個代碼塊執行完畢前被觸發。但是這裏注意的是，它不會立即執行（單線程不能這樣做）。實際上，觸發的回調將被排成一個隊列，等待下一個可執行時間。


　　此外，在第一個JS代碼塊，我們發現一個鼠標點擊事件被觸發。這個鼠標點擊JS回調被綁定在異步隊列上（我們從來不知道用戶什麼時候執行這個操作，所以它被認爲是異步的）且不能馬上執行。像初始化的計時器一樣,排隊等待執行。


　　執行完初始化JS代碼塊後，瀏覽器就有個疑問：誰在等待執行？此時，鼠標點擊回調和setTimeout計時器的回調都在等待。瀏覽器將選一個（鼠標點擊事件）並立馬執行。而計時器的回調將等待下一合適時機執行。


　　注意，鼠標點擊事件執行過程中，interval的回調第一次被觸發，與setTimeout的回調一樣，排隊等待執行。隨着時間推移，等到setTimeout計時器的回調執行時候，setInterval的回調再次被觸發，這次被觸發的回調將被拋棄。如果一大段代碼塊正在執行，所有的setInterval的回調都將要排隊，一旦大段代碼塊執行完畢，這些一連串的setInterval的回調相互間將被無延遲地執行。實際上，瀏覽器處理setInterval被觸發的回調排隊等待執行時，除非隊列中setInterval回調爲空，才允許新的setInterval的回調加入。


　　我們發現，setInterval的第一個被觸發的回調執行時，setInterval的回調又被觸發且排到隊列。這向我們傳達一個重要的消息：setInterval不關心目前JS正在執行的內容，setInterval的被觸發的回調都將會無差別地排隊。


　　最後，當setInterval的回調執行兩次後，我們發現沒有javascript引擎要執行東西。這意味着瀏覽器將等待着一個新的異步事件發生。我們知道，在50ms時候，setInterval的回調再次被觸發，但這次並沒有東西阻塞，所以回調就立馬執行了。 


　　在瀏覽器中，JavaScript引擎是基於事件驅動的，這裏的事件可看作是瀏覽器派給它的各種任務，這些任務可能源自當前執行的代碼塊，如調用setTimeout()，也可能來自瀏覽器內核，如onload()、onclick()、onmouseover()、setTimeOut()、setInterval()、Ajax等。如果從代碼的角度來看，所謂的任務實體就是各種回調函數，由於“單線程”的原因，這些任務會進行排隊，一個接着一個等待着被引擎處理。(這段說法來源於http://www.benben.cc/blog/?p=327)

3.       JavaScript引擎線程和其它偵聽線程

上圖中，定時器和事件都按時觸發了，這表明JavaScript引擎的線程和計時器觸發線程、事件觸發線程是三個單獨的線程，即使JavaScript引擎的線程被阻塞，其它兩個觸發線程都在運行。


　　瀏覽器內核實現允許多個線程異步執行，這些線程在內核制控下相互配合以保持同步。假如某一瀏覽器內核的實現至少有三個常駐線程： JavaScript引擎線程,事件觸發線程，Http請求線程，下面通過一個圖來闡明單線程的JavaScript引擎與另外那些線程是怎樣互動通信的。雖然每個瀏覽器內核實現細節不同,但這其中的調用原理都是大同小異。


     線程間通信：JavaScript引擎執行當前的代碼塊,其它諸如setTimeout給JS引擎添加一個任務,也可來自瀏覽器內核的其它線程,如界面元素鼠標點擊事件,定時觸發器時間到達通知,異步請求狀態變更通知等.從代碼角度看來任務實體就是各種回調函數,JavaScript引擎一直等待着任務隊列中任務的到來.由於單線程關係,這些任務得進行排隊,一個接着一個被引擎處理.


    GUI渲染也是在引擎線程中執行的，腳本中執行對界面進行更新操作,如添加結點,刪除結點或改變結點的外觀等更新並不會立即體現出來,這些操作將保存在一個隊列中,待JavaScript引擎空閒時纔有機會渲染出來。來看例子（這塊內容還有待驗證,個人覺得當Dom渲染時，纔可阻止渲染）

<div id="test">test</div>

<script type="text/javascript" language="javascript">

var i=0;

while(1) {

    document.getElementById("test").innerHTML+=i++ + "<br />";

}

</script>

這段代碼的本意是從0開始順序顯示數字，它們將一個接一個出現，現在我們來仔細研究一下代碼，while(1)創建了一個無休止的循環，但是對於單線程的JavaScript引擎而言，在實際情況中就會造成瀏覽器暫停響應並處於假死狀態。


　　alert()會停止JS引擎的執行，直到按確認鍵，在JS調試的時候，查看當前實時頁面的內容。


4.       setTimeout和 setInterval
回到文章開頭，我們來看下setTimeout和setsetInterval的區別。

setTimeout(function(){

    /* Some long block of code ... */

    setTimout(arguments.callee,10);

},10);

 

setInterval(function(){

    /* Some long block of code ... */

},10);

這兩個程序段第一眼看上去是一樣的，但並不是這樣。setTimeout代碼至少每隔10ms以上才執行一次；然而setInterval固定每隔10ms將嘗試執行，不管它的回調函數的執行狀態。


我們來總結下：

1. JavaScript引擎只有一個線程，強制異步事件排隊等待執行。

2. setTimeout和setInterval在異步執行時，有着根本性不同。

3. 如果一個計時器被阻塞執行，它將會延遲，直到下一個可執行點（這可能比期望的時間更長）

4. setInterval的回調可能被不停的執行，中間沒間隔（如果回調執行的時間超過預定等待的值）

《JavaScript高級程序設計》中，針對setInterval說法如下：


當使用setInterval()時，僅當沒有該定時器的任何其他代碼實例時，纔將定時器代碼添加到隊列中。還要注意兩問題：

①    某些間隔會被跳過（拋棄）；
② 多個定時器的代碼執行之間的間隔可能會比預期小。此時可採取 setTimeout和setsetInterval的區別 的例子方法。

5.       Ajax異步
　　很多同學朋友搞不清楚，既然說JavaScript是單線程運行的，那麼XMLHttpRequest在連接後是否真的異步？其實請求確實是異步的，不過這請求是由瀏覽器新開一個線程請求(參見上圖)，當請求的狀態變更時，如果先前已設置回調，這異步線程就產生狀態變更事件放到JavaScript引擎的處理隊列中等待處理，當任務被處理時，JavaScript引擎始終是單線程運行回調函數，具體點即還是單線程運行onreadystatechange所設置的函數。


　　Tip:理解JavaScript引擎運作非常重要，特別是在大量異步事件（連續）發生時，可以提升程序代碼的效率。


原外文：http://ejohn.org/blog/how-javascript-timers-work/


翻譯參考：http://www.phpweblog.net/rainman/archive/2009/01/05/6267.html


部分示例：http://www.cnblogs.com/jeffwongishandsome/archive/2011/06/13/2080145.html


其它參考：http://www.laruence.com/2009/09/23/1089.html


　　　　　http://www.benben.cc/blog/?p=327