Node.js 事件循環，定時器和 `process.nextTick()`

什麼是事件輪詢

事件循環是 Node.js 處理非阻塞 I/O 操作的機制——儘管 JavaScript 是單線程處理的——當有可能的時候，它們會把操作轉移到系統內核中去。

既然目前大多數內核都是多線程的，它們可在後臺處理多種操作。當其中的一個操作完成的時候，內核通知 Node.js 將適合的回調函數添加到輪詢隊列中等待時機執行。我們在本文後面會進行詳細介紹。

事件輪詢機制解析

當 Node.js 啓動後，它會初始化事件輪詢；處理已提供的輸入腳本（或丟入 REPL，本文不涉及到），它可能會調用一些異步的 API、調度定時器，或者調用 process.nextTick()，然後開始處理事件循環。

下面的圖表展示了事件循環操作順序的簡化概覽。

   ┌───────────────────────────┐
┌─>│           timers          │
│  └─────────────┬─────────────┘
│  ┌─────────────┴─────────────┐
│  │     pending callbacks     │
│  └─────────────┬─────────────┘
│  ┌─────────────┴─────────────┐
│  │       idle, prepare       │
│  └─────────────┬─────────────┘      ┌───────────────┐
│  ┌─────────────┴─────────────┐      │   incoming:   │
│  │           poll            │<─────┤  connections, │
│  └─────────────┬─────────────┘      │   data, etc.  │
│  ┌─────────────┴─────────────┐      └───────────────┘
│  │           check           │
│  └─────────────┬─────────────┘
│  ┌─────────────┴─────────────┐
└──┤      close callbacks      │
   └───────────────────────────┘

注意：每個框被稱爲事件循環機制的一個階段。

每個階段都有一個 FIFO 隊列來執行回調。雖然每個階段都是特殊的，但通常情況下，當事件循環進入給定的階段時，它將執行特定於該階段的任何操作，然後執行該階段隊列中的回調，直到隊列用盡或最大回調數已執行。當該隊列已用盡或達到回調限制，事件循環將移動到下一階段，等等。

由於這些操作中的任何一個都可能調度 更多的 操作和由內核排列在輪詢階段被處理的新事件，且在處理輪詢中的事件時，輪詢事件可以排隊。因此，長時間運行的回調可以允許輪詢階段運行長於計時器的閾值時間。有關詳細信息，請參閱 計時器 和輪詢部分。

注意： 在 Windows 和 Unix/Linux 實現之間存在細微的差異，但這對演示來說並不重要。最重要的部分在這裏。實際上有七或八個步驟，但我們關心的是 Node.js 實際上使用以上的某些步驟。

階段概述

定時器：本階段執行已經被 setTimeout() 和 setInterval() 的調度回調函數。
待定回調：執行延遲到下一個循環迭代的 I/O 回調。
idle, prepare：僅系統內部使用。
輪詢：檢索新的 I/O 事件;執行與 I/O 相關的回調（幾乎所有情況下，除了關閉的回調函數，那些由計時器和 setImmediate() 調度的之外），其餘情況 node 將在適當的時候在此阻塞。
檢測：setImmediate() 回調函數在這裏執行。
關閉的回調函數：一些關閉的回調函數，如：socket.on('close', ...)。

在每次運行的事件循環之間，Node.js 檢查它是否在等待任何異步 I/O 或計時器，如果沒有的話，則完全關閉。

階段的詳細概述

定時器

計時器指定 可以執行所提供回調 的閾值，而不是用戶希望其執行的確切時間。在指定的一段時間間隔後，計時器回調將被儘可能早地運行。但是，操作系統調度或其它正在運行的回調可能會延遲它們。

注意：輪詢階段控制何時定時器執行。

例如，假設您調度了一個在 100 毫秒後超時的定時器，然後您的腳本開始異步讀取會耗費 95 毫秒的文件:

const fs = require('fs');

function someAsyncOperation(callback) {
  // Assume this takes 95ms to complete
  fs.readFile('/path/to/file', callback);
}

const timeoutScheduled = Date.now();

setTimeout(() => {
  const delay = Date.now() - timeoutScheduled;

  console.log(`${delay}ms have passed since I was scheduled`);
}, 100);

// do someAsyncOperation which takes 95 ms to complete
someAsyncOperation(() => {
  const startCallback = Date.now();

  // do something that will take 10ms...
  while (Date.now() - startCallback < 10) {
    // do nothing
  }
});

當事件循環進入輪詢階段時，它有一個空隊列（此時 fs.readFile() 尚未完成），因此它將等待剩下的毫秒數，直到達到最快的一個計時器閾值爲止。當它等待 95 毫秒過後時，fs.readFile() 完成讀取文件，它的那個需要 10 毫秒才能完成的回調，將被添加到輪詢隊列中並執行。當回調完成時，隊列中不再有回調，因此事件循環機制將查看最快到達閾值的計時器，然後將回到 計時器 階段，以執行定時器的回調。在本示例中，您將看到調度計時器到它的回調被執行之間的總延遲將爲 105 毫秒。

注意：爲了防止輪詢階段餓死事件循環，libuv（實現 Node.js 事件循環和平臺的所有異步行爲的 C 函數庫），在停止輪詢以獲得更多事件之前，還有一個硬性最大值（依賴於系統）。

掛起的回調函數

此階段對某些系統操作（如 TCP 錯誤類型）執行回調。例如，如果 TCP 套接字在嘗試連接時接收到 ECONNREFUSED，則某些 *nix 的系統希望等待報告錯誤。這將被排隊以在 掛起的回調 階段執行。

輪詢

輪詢階段有兩個重要的功能：

計算應該阻塞和輪詢 I/O 的時間。
然後，處理輪詢隊列裏的事件。

當事件循環進入輪詢階段且 沒有被調度的計時器時 ，將發生以下兩種情況之一：

如果輪詢隊列 不是空的 ，事件循環將循環訪問回調隊列並同步執行它們，直到隊列已用盡，或者達到了與系統相關的硬性限制。
如果輪詢隊列 是空的 ，還有兩件事發生：
- 如果腳本被 setImmediate() 調度，則事件循環將結束輪詢階段，並繼續檢查階段以執行那些被調度的腳本。
- 如果腳本未被 setImmediate()調度，則事件循環將等待回調被添加到隊列中，然後立即執行。

一旦輪詢隊列爲空，事件循環將檢查 _已達到時間閾值的計時器_。如果一個或多個計時器已準備就緒，則事件循環將繞回計時器階段以執行這些計時器的回調。

檢查階段

此階段允許人員在輪詢階段完成後立即執行回調。如果輪詢階段變爲空閒狀態，並且腳本使用 setImmediate() 後被排列在隊列中，則事件循環可能繼續到檢查階段而不是等待。

setImmediate() 實際上是一個在事件循環的單獨階段運行的特殊計時器。它使用一個 libuv API 來安排回調在輪詢階段完成後執行。

通常，在執行代碼時，事件循環最終會命中輪詢階段，在那等待傳入連接、請求等。但是，如果回調已使用 setImmediate()調度過，並且輪詢階段變爲空閒狀態，則它將結束此階段，並繼續到檢查階段而不是繼續等待輪詢事件。

關閉的回調函數

如果套接字或處理函數突然關閉（例如 socket.destroy()），則'close' 事件將在這個階段發出。否則它將通過 process.nextTick() 發出。

`setImmediate()` 對比 `setTimeout()`

setImmediate() 和 setTimeout() 很類似，但是基於被調用的時機，他們也有不同表現。

setImmediate() 設計爲一旦在當前輪詢階段完成，就執行腳本。
setTimeout() 在最小閾值（ms 單位）過後運行腳本。

執行計時器的順序將根據調用它們的上下文而異。如果二者都從主模塊內調用，則計時器將受進程性能的約束（這可能會受到計算機上其他正在運行應用程序的影響）。

例如，如果運行以下不在 I/O 週期（即主模塊）內的腳本，則執行兩個計時器的順序是非確定性的，因爲它受進程性能的約束：

// timeout_vs_immediate.js
setTimeout(() => {
  console.log('timeout');
}, 0);

setImmediate(() => {
  console.log('immediate');
});

$ node timeout_vs_immediate.js
timeout
immediate

$ node timeout_vs_immediate.js
immediate
timeout

但是，如果你把這兩個函數放入一個 I/O 循環內調用，setImmediate 總是被優先調用：

// timeout_vs_immediate.js
const fs = require('fs');

fs.readFile(__filename, () => {
  setTimeout(() => {
    console.log('timeout');
  }, 0);
  setImmediate(() => {
    console.log('immediate');
  });
});

$ node timeout_vs_immediate.js
immediate
timeout

$ node timeout_vs_immediate.js
immediate
timeout

使用 setImmediate() 相對於setTimeout() 的主要優勢是，如果setImmediate()是在 I/O 週期內被調度的，那它將會在其中任何的定時器之前執行，跟這裏存在多少個定時器無關

`process.nextTick()`

理解 `process.nextTick()`

您可能已經注意到 process.nextTick() 在圖示中沒有顯示，即使它是異步 API 的一部分。這是因爲 process.nextTick() 從技術上講不是事件循環的一部分。相反，它都將在當前操作完成後處理 nextTickQueue，而不管事件循環的當前階段如何。這裏的一個操作被視作爲一個從底層 C/C++ 處理器開始過渡，並且處理需要執行的 JavaScript 代碼。

回顧我們的圖示，任何時候在給定的階段中調用 process.nextTick()，所有傳遞到 process.nextTick() 的回調將在事件循環繼續之前解析。這可能會造成一些糟糕的情況，因爲它允許您通過遞歸 process.nextTick()調用來“餓死”您的 I/O，阻止事件循環到達輪詢階段。

爲什麼會允許這樣？

爲什麼這樣的事情會包含在 Node.js 中？它的一部分是一個設計理念，其中 API 應該始終是異步的，即使它不必是。以此代碼段爲例：

function apiCall(arg, callback) {
  if (typeof arg !== 'string')
    return process.nextTick(callback,
                            new TypeError('argument should be string'));
}

代碼段進行參數檢查。如果不正確，則會將錯誤傳遞給回調函數。最近對 API 進行了更新，允許傳遞參數給 process.nextTick()，這將允許它接受任何在回調函數位置之後的參數，並將參數傳遞給回調函數作爲回調函數的參數，這樣您就不必嵌套函數了。

我們正在做的是將錯誤傳回給用戶，但僅在執行用戶的其餘代碼之後。通過使用process.nextTick()，我們保證 apiCall() 始終在用戶代碼的其餘部分之後和在讓事件循環繼續進行之前，執行其回調函數。爲了實現這一點，JS 調用棧被允許展開，然後立即執行提供的回調，允許進行遞歸調用 process.nextTick()，而不觸碰 RangeError: 超過 V8 的最大調用堆棧大小 限制。

這種設計原理可能會導致一些潛在的問題。以此代碼段爲例：

let bar;

// this has an asynchronous signature, but calls callback synchronously
function someAsyncApiCall(callback) { callback(); }

// the callback is called before `someAsyncApiCall` completes.
someAsyncApiCall(() => {
  // since someAsyncApiCall has completed, bar hasn't been assigned any value
  console.log('bar', bar); // undefined
});

bar = 1;

用戶將 someAsyncApiCall() 定義爲具有異步簽名，但實際上它是同步運行的。當調用它時，提供給 someAsyncApiCall() 的回調是在事件循環的同一階段內被調用，因爲 someAsyncApiCall() 實際上並沒有異步執行任何事情。結果，回調函數在嘗試引用 bar，但作用域中可能還沒有該變量，因爲腳本尚未運行完成。

通過將回調置於 process.nextTick() 中，腳本仍具有運行完成的能力，允許在調用回調之前初始化所有的變量、函數等。它還具有不讓事件循環繼續的優點，適用於讓事件循環繼續之前，警告用戶發生錯誤的情況。下面是上一個使用 process.nextTick() 的示例：

let bar;

function someAsyncApiCall(callback) {
  process.nextTick(callback);
}

someAsyncApiCall(() => {
  console.log('bar', bar); // 1
});

bar = 1;

這又是另外一個真實的例子：

const server = net.createServer(() => {}).listen(8080);

server.on('listening', () => {});

只有傳遞端口時，端口才會立即被綁定。因此，可以立即調用 'listening' 回調。問題是 .on('listening') 的回調在那個時間點尚未被設置。

爲了繞過這個問題，'listening' 事件被排在 nextTick() 中，以允許腳本運行完成。這讓用戶設置所想設置的任何事件處理器。

`process.nextTick()` 對比 `setImmediate()`

就用戶而言，我們有兩個類似的調用，但它們的名稱令人費解。

process.nextTick() 在同一個階段立即執行。
setImmediate() 在事件循環的接下來的迭代或 'tick' 上觸發。

實質上，這兩個名稱應該交換，因爲 process.nextTick() 比 setImmediate() 觸發得更快，但這是過去遺留問題，因此不太可能改變。如果貿然進行名稱交換，將破壞 npm 上的大部分軟件包。每天都有更多新的模塊在增加，這意味着我們要多等待每一天，則更多潛在破壞會發生。儘管這些名稱使人感到困惑，但它們本身名字不會改變。

我們建議開發人員在所有情況下都使用 setImmediate()，因爲它更容易理解。

爲什麼要使用 `process.nextTick()`?

有兩個主要原因：

允許用戶處理錯誤，清理任何不需要的資源，或者在事件循環繼續之前重試請求。
有時有讓回調在棧展開後，但在事件循環繼續之前運行的必要。

以下是一個符合用戶預期的簡單示例：

const server = net.createServer();
server.on('connection', (conn) => { });

server.listen(8080);
server.on('listening', () => { });

假設 listen() 在事件循環開始時運行，但 listening 的回調被放置在 setImmediate() 中。除非傳遞過主機名，纔會立即綁定到端口。爲使事件循環繼續進行，它必須命中輪詢階段，這意味着有可能已經接收了一個連接，並在偵聽事件之前觸發了連接事件。

另一個示例運行的函數構造函數是從 EventEmitter 繼承的，它想調用構造函數：

const EventEmitter = require('events');
const util = require('util');

function MyEmitter() {
  EventEmitter.call(this);
  this.emit('event');
}
util.inherits(MyEmitter, EventEmitter);

const myEmitter = new MyEmitter();
myEmitter.on('event', () => {
  console.log('an event occurred!');
});

你不能立即從構造函數中觸發事件，因爲腳本尚未處理到用戶爲該事件分配回調函數的地方。因此，在構造函數本身中可以使用 process.nextTick() 來設置回調，以便在構造函數完成後發出該事件，這是預期的結果：

const EventEmitter = require('events');
const util = require('util');

function MyEmitter() {
  EventEmitter.call(this);

  // use nextTick to emit the event once a handler is assigned
  process.nextTick(() => {
    this.emit('event');
  });
}
util.inherits(MyEmitter, EventEmitter);

const myEmitter = new MyEmitter();
myEmitter.on('event', () => {
  console.log('an event occurred!');
});

node文檔：指南中的process.nextTick()事件環

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什麼是事件輪詢

事件輪詢機制解析

階段概述

階段的詳細概述

定時器

掛起的回調函數

輪詢

檢查階段

關閉的回調函數

`setImmediate()` 對比 `setTimeout()`

`process.nextTick()`

理解 `process.nextTick()`

爲什麼會允許這樣？

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爲什麼要使用 `process.nextTick()`?

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setImmediate() 對比 setTimeout()

process.nextTick()

理解 process.nextTick()

爲什麼會允許這樣？

process.nextTick() 對比 setImmediate()

爲什麼要使用 process.nextTick()?

Node.js 事件循環，定時器和 `process.nextTick()`

`setImmediate()` 對比 `setTimeout()`

`process.nextTick()`

理解 `process.nextTick()`

`process.nextTick()` 對比 `setImmediate()`

爲什麼要使用 `process.nextTick()`?