JavaScript 運行機制以及Event Loop（事件循環）

一、JavaScript單線程

衆所周知JavaScript是一門單線程語言，也就是說，在同一時間內JS只能做一件事。爲什麼JavaScript不能有多個線程呢？這樣不是能夠提高效率嗎？

JavaScript的單線程，與它的用途有關。作爲瀏覽器腳本語言，JavaScript的主要用途是與用戶互動，以及操作DOM。這決定了它只能是單線程，否則會帶來很複雜的同步問題。比如，假定JavaScript同時有兩個線程，一個線程在某個DOM節點上添加內容，另一個線程刪除了這個節點，這時瀏覽器應該以哪個線程爲準？

所以，爲了避免複雜性，從一誕生，JavaScript就是單線程，這已經成了這門語言的核心特徵，將來也不會改變。

爲了利用多核CPU的計算能力，HTML5提出Web Worker標準，允許JavaScript腳本創建多個線程，但是子線程完全受主線程控制，且不得操作DOM。所以，這個新標準並沒有改變JavaScript單線程的本質。

二、任務隊列

單線程就意味着，所有任務需要排隊，前一個任務結束，纔會執行後一個任務。如果前一個任務耗時很長，後一個任務就不得不一直等着。

如果排隊是因爲計算量大，CPU忙不過來，倒也算了，但是很多時候CPU是閒着的，因爲IO設備（輸入輸出設備）很慢（比如Ajax操作從網絡讀取數據），不得不等着結果出來，再往下執行。

JavaScript語言的設計者意識到，這時主線程完全可以不管IO設備，掛起處於等待中的任務，先運行排在後面的任務。等到IO設備返回了結果，再回過頭，把掛起的任務繼續執行下去。

於是，所有任務可以分成兩種，一種是同步任務（synchronous），另一種是異步任務（asynchronous）。同步任務指的是，在主線程上排隊執行的任務，只有前一個任務執行完畢，才能執行後一個任務；異步任務指的是，不進入主線程、而進入"任務隊列"（task queue）的任務，只有"任務隊列"通知主線程，某個異步任務可以執行了，該任務纔會進入主線程執行。

具體來說，異步執行的運行機制如下。（同步執行也是如此，因爲它可以被視爲沒有異步任務的異步執行。）

（1）所有同步任務都在主線程上執行，形成一個執行棧（execution context stack）。

（2）主線程之外，還存在一個"任務隊列"（task queue）。只要異步任務有了運行結果，就在"任務隊列"之中放置一個事件。

（3）一旦"執行棧"中的所有同步任務執行完畢，系統就會讀取"任務隊列"，看看裏面有哪些事件。那些對應的異步任務，於是結束等待狀態，進入執行棧，開始執行。

（4）主線程不斷重複上面的第三步。

下圖就是主線程和任務隊列的示意圖。

只要主線程空了，就會去讀取"任務隊列"，這就是JavaScript的運行機制。這個過程會不斷重複。

三、事件和回調函數

"任務隊列"是一個事件的隊列（也可以理解成消息的隊列），IO設備完成一項任務，就在"任務隊列"中添加一個事件，表示相關的異步任務可以進入"執行棧"了。主線程讀取"任務隊列"，就是讀取裏面有哪些事件。

"任務隊列"中的事件，除了IO設備的事件以外，還包括一些用戶產生的事件（比如鼠標點擊、頁面滾動等等）。只要指定過回調函數，這些事件發生時就會進入"任務隊列"，等待主線程讀取。

所謂"回調函數"（callback），就是那些會被主線程掛起來的代碼。異步任務必須指定回調函數，當主線程開始執行異步任務，就是執行對應的回調函數。

"任務隊列"是一個先進先出的數據結構，排在前面的事件，優先被主線程讀取。主線程的讀取過程基本上是自動的，只要執行棧一清空，"任務隊列"上第一位的事件就自動進入主線程。但是，由於存在後文提到的"定時器"功能，主線程首先要檢查一下執行時間，某些事件只有到了規定的時間，才能返回主線程。

四、Event Loop

主線程從"任務隊列"中讀取事件，這個過程是循環不斷的，所以整個的這種運行機制又稱爲Event Loop（事件循環）。

爲了更好地理解Event Loop，請看下圖（轉引自Philip Roberts的演講《Help, I'm stuck in an event-loop》）。

上圖中，主線程運行的時候，產生堆（heap）和棧（stack），棧中的代碼調用各種外部API，它們在"任務隊列"中加入各種事件（click，load，done）。只要棧中的代碼執行完畢，主線程就會去讀取"任務隊列"，依次執行那些事件所對應的回調函數。

執行棧中的代碼（同步任務），總是在讀取"任務隊列"（異步任務）之前執行。請看下面這個例子。

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

上面代碼中的req.send方法是Ajax操作向服務器發送數據，它是一個異步任務，意味着只有當前腳本的所有代碼執行完，系統纔會去讀取"任務隊列"。所以，它與下面的寫法等價。

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

也就是說，指定回調函數的部分（onload和onerror），在send()方法的前面或後面無關緊要，因爲它們屬於執行棧的一部分，系統總是執行完它們，纔會去讀取"任務隊列"。

五、定時器

除了放置異步任務的事件，"任務隊列"還可以放置定時事件，即指定某些代碼在多少時間之後執行。這叫做"定時器"（timer）功能，也就是定時執行的代碼。

定時器功能主要由setTimeout()和setInterval()這兩個函數來完成，它們的內部運行機制完全一樣，區別在於前者指定的代碼是一次性執行，後者則爲反覆執行。以下主要討論setTimeout()。

setTimeout()接受兩個參數，第一個是回調函數，第二個是推遲執行的毫秒數。

console.log(1);
setTimeout(function(){console.log(2);},1000);
console.log(3);

上面代碼的執行結果是1，3，2，因爲setTimeout()將第二行推遲到1000毫秒之後執行。

如果將setTimeout()的第二個參數設爲0，就表示當前代碼執行完（執行棧清空）以後，立即執行（0毫秒間隔）指定的回調函數。

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

上面代碼的執行結果總是2，1，因爲只有在執行完第二行以後，系統纔會去執行"任務隊列"中的回調函數。

總之，setTimeout(fn,0)的含義是，指定某個任務在主線程最早可得的空閒時間執行，也就是說，儘可能早得執行。它在"任務隊列"的尾部添加一個事件，因此要等到同步任務和"任務隊列"現有的事件都處理完，纔會得到執行。

HTML5標準規定了setTimeout()的第二個參數的最小值（最短間隔），不得低於4毫秒，如果低於這個值，就會自動增加。在此之前，老版本的瀏覽器都將最短間隔設爲10毫秒。另外，對於那些DOM的變動（尤其是涉及頁面重新渲染的部分），通常不會立即執行，而是每16毫秒執行一次。這時使用requestAnimationFrame()的效果要好於setTimeout()。

需要注意的是，setTimeout()只是將事件插入了"任務隊列"，必須等到當前代碼（執行棧）執行完，主線程纔會去執行它指定的回調函數。要是當前代碼耗時很長，有可能要等很久，所以並沒有辦法保證，回調函數一定會在setTimeout()指定的時間執行。

六、Node.js的Event Loop

Node.js也是單線程的Event Loop，但是它的運行機制不同於瀏覽器環境。

請看下面的示意圖（作者@BusyRich）。

根據上圖，Node.js的運行機制如下。

（1）V8引擎解析JavaScript腳本。

（2）解析後的代碼，調用Node API。

（3）libuv庫負責Node API的執行。它將不同的任務分配給不同的線程，形成一個Event Loop（事件循環），以異步的方式將任務的執行結果返回給V8引擎。

（4）V8引擎再將結果返回給用戶。

除了setTimeout和setInterval這兩個方法，Node.js還提供了另外兩個與"任務隊列"有關的方法：process.nextTick和setImmediate。它們可以幫助我們加深對"任務隊列"的理解。

process.nextTick方法可以在當前"執行棧"的尾部----下一次Event Loop（主線程讀取"任務隊列"）之前----觸發回調函數。也就是說，它指定的任務總是發生在所有異步任務之前。setImmediate方法則是在當前"任務隊列"的尾部添加事件，也就是說，它指定的任務總是在下一次Event Loop時執行，這與setTimeout(fn, 0)很像。請看下面的例子（via StackOverflow）。

process.nextTick(function A() {
  console.log(1);
  process.nextTick(function B(){console.log(2);});
});

setTimeout(function timeout() {
  console.log('TIMEOUT FIRED');
}, 0)
// 1
// 2
// TIMEOUT FIRED

上面代碼中，由於process.nextTick方法指定的回調函數，總是在當前"執行棧"的尾部觸發，所以不僅函數A比setTimeout指定的回調函數timeout先執行，而且函數B也比timeout先執行。這說明，如果有多個process.nextTick語句（不管它們是否嵌套），將全部在當前"執行棧"執行。

現在，再看setImmediate。

setImmediate(function A() {
  console.log(1);
  setImmediate(function B(){console.log(2);});
});

setTimeout(function timeout() {
  console.log('TIMEOUT FIRED');
}, 0);

上面代碼中，setImmediate與setTimeout(fn,0)各自添加了一個回調函數A和timeout，都是在下一次Event Loop觸發。那麼，哪個回調函數先執行呢？答案是不確定。運行結果可能是1--TIMEOUT FIRED--2，也可能是TIMEOUT FIRED--1--2。

令人困惑的是，Node.js文檔中稱，setImmediate指定的回調函數，總是排在setTimeout前面。實際上，這種情況只發生在遞歸調用的時候。

setImmediate(function (){
  setImmediate(function A() {
    console.log(1);
    setImmediate(function B(){console.log(2);});
  });

  setTimeout(function timeout() {
    console.log('TIMEOUT FIRED');
  }, 0);
});
// 1
// TIMEOUT FIRED
// 2

上面代碼中，setImmediate和setTimeout被封裝在一個setImmediate裏面，它的運行結果總是1--TIMEOUT FIRED--2，這時函數A一定在timeout前面觸發。至於2排在TIMEOUT FIRED的後面（即函數B在timeout後面觸發），是因爲setImmediate總是將事件註冊到下一輪Event Loop，所以函數A和timeout是在同一輪Loop執行，而函數B在下一輪Loop執行。

我們由此得到了process.nextTick和setImmediate的一個重要區別：多個process.nextTick語句總是在當前"執行棧"一次執行完，多個setImmediate可能則需要多次loop才能執行完。事實上，這正是Node.js 10.0版添加setImmediate方法的原因，否則像下面這樣的遞歸調用process.nextTick，將會沒完沒了，主線程根本不會去讀取"事件隊列"！

process.nextTick(function foo() {
  process.nextTick(foo);
});

事實上，現在要是你寫出遞歸的process.nextTick，Node.js會拋出一個警告，要求你改成setImmediate。

另外，由於process.nextTick指定的回調函數是在本次"事件循環"觸發，而setImmediate指定的是在下次"事件循環"觸發，所以很顯然，前者總是比後者發生得早，而且執行效率也高（因爲不用檢查"任務隊列"）。