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JavaScript 運行機制

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JavaScript 運行機制

閱讀目錄

  • 一、為什麽JavaScript是單線程?
  • 二、任務隊列
  • 三、事件和回調函數
  • 四、Event Loop
  • 五、定時器
  • 六、Node.js的Event Loop
  • 七、關於setTimeout的測試

一、為什麽JavaScript是單線程?

JavaScript語言是單線程,也就是說,同一個時間只能做一件事。

JavaScript的單線程,與它的用途有關。作為瀏覽器腳本語言,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,否則會帶來很復雜的同步問題。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為準?

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

為了利用多核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

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

如果排隊是因為計算量大,CPU忙不過來,倒也算了,但是很多時候CPU是閑著的,因為IO設備(輸入輸出設備)很慢(比如Ajax操作從網絡讀取數據),不得不等著結果出來,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,該任務才會進入主線程執行。

任務的執行實質上分為兩步:①.執行,②.獲取執行結果。

具體來說,異步執行的運行機制如下。(同步執行也是如此,因為它可以被視為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"(taskqueue)。只要異步任務有了運行結果,就在"任務隊列"之中放置一個相應的回調函數。
(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)主線程不斷重復上面的第三步。

同步執行:執行後等待直到獲取執行結果;

異步執行:執行後不等待,而是通過一系列手段(輪詢、事件監聽和event loop等)獲取執行結果,而在執行後和獲取結果前的那段時間可以介入其他任務操作。

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。

異步任務補充

onclick等:由瀏覽器內核的 DOM Binding 模塊來處理,當事件觸發的時候,回調函數會立即添加到任務隊列中。
setTimeout(setInterval):會由瀏覽器內核的 timer 模塊來進行延時處理,當時間到達的時候,才會將回調函數添加到任務隊列中。
ajax: 會由瀏覽器內核的 network 模塊來處理,在網絡請求完成返回之後,才將回調添加到任務隊列中。

四、Event Loop

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,意味著只有當前腳本的所有代碼執行完,系統才會去讀取"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,因為它們屬於執行棧的一部分,系統總是執行完它們,才會去讀取"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,後者則為反復執行。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;與下邊的對比

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

執行結果也是1,3,2。說明setTimeout()的回調函數被掛起了,當執行棧的代碼執行完之後,才會執行。

看看下邊:

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

執行的結果是1,3,4,2;與下邊的對比

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

執行的結果還是1,3,4,2。說明任務隊列是按照先進先出的順序執行的。

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為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()。

需要註意的是,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,主線程才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。請看下面這個例子。

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

執行結果是:

1498962204851
1498962204959
160

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)。

技術分享

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"的尾部觸發回調函數。也就是說,它指定的任務總是在當前執行棧清空之後執行。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)

執行結果:

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);

多次執行結果:

1
2
TIMEOUT FIRED

與下邊的對比:

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

多次執行結果:

1
TIMEOUT FIRED
2

再與下邊的對比:

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

多次執行結果:

1
2
TIMEOUT FIRED

好像跟說的對不上。

由於setTimeout存在時間精度,因此setTimeout(handler,0)中setTimeout事件插入事件隊列的延時必定大於0ms,而handler的執行延時則更大了。具體為IE5~8和不插電源的IE9的時間精度為15.6ms,插電源的IE9和其他瀏覽器則為4ms。跟(五、定時器)的說法一致

經微軟和Chrome團隊實驗所得降低時間精度將會大大縮短筆記本的續航時間,也是就說更耗電,因此即使瀏覽器廠商有能力縮短時間精度,但基於多方面的考慮,依然保持上述的精度值。

setImmediate(handler) 用來壓棧(監控棧已清空)該是在setTimeout之後執行的,為什麽呢?待解。。。

七、關於setTimeout的測試

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,不記錄了。

少原創,看了很多文章,然後有些不理解的話修改了成自己覺得更易理解的。其中還有自己不明白的地方,像是setImmediate,怎麽搞得。

參考文章:

  • JavaScript 運行機制詳解:深入理解Event Loop
  • 一次圍繞setTimeout展開的前端面試
  • 雜七雜八JS :深入理解 函數、匿名函數、自執行函數

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