實(shí)例分析JS與Node.js中的事件循環(huán)

這兩天跟同事同事討論遇到的一個(gè)問題，js中的event loop，引出了chrome與node中運(yùn)行具有setTimeout和Promise的程序時(shí)候執(zhí)行結(jié)果不一樣的問題，從而引出了Nodejs的event loop機(jī)制，記錄一下，感覺還是蠻有收獲的

console.log(1)
setTimeout(function() {
 new Promise(function(resolve, reject) {
 console.log(2)
 resolve()
 })
 .then(() => {
 console.log(3)
 })
}, 0)
setTimeout(function() {
 console.log(4)
}, 0)
// chrome中運(yùn)行：1 2 3 4
// Node中運(yùn)行： 1 2 4 3

chrome和Node執(zhí)行的結(jié)果不一樣，這就很有意思了。

1. JS 中的任務(wù)隊(duì)列

JavaScript語言的一大特點(diǎn)就是單線程，也就是說，同一個(gè)時(shí)間只能做一件事。那么，為什么JavaScript不能有多個(gè)線程呢？這樣能提高效率啊。

JavaScript的單線程，與它的用途有關(guān)。作為瀏覽器腳本語言，JavaScript的主要用途是與用戶互動(dòng)，以及操作DOM。這決定了它只能是單線程，否則會(huì)帶來很復(fù)雜的同步問題。比如，假定JavaScript同時(shí)有兩個(gè)線程，一個(gè)線程在某個(gè)DOM節(jié)點(diǎn)上添加內(nèi)容，另一個(gè)線程刪除了這個(gè)節(jié)點(diǎn)，這時(shí)瀏覽器應(yīng)該以哪個(gè)線程為準(zhǔn)？

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

為了利用多核CPU的計(jì)算能力，HTML5提出Web Worker標(biāo)準(zhǔn)，允許JavaScript腳本創(chuàng)建多個(gè)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(gè)新標(biāo)準(zhǔn)并沒有改變JavaScript單線程的本質(zhì)。

2. 任務(wù)隊(duì)列 event loop

單線程就意味著，所有任務(wù)需要排隊(duì)，前一個(gè)任務(wù)結(jié)束，才會(huì)執(zhí)行后一個(gè)任務(wù)。如果前一個(gè)任務(wù)耗時(shí)很長，后一個(gè)任務(wù)就不得不一直等著。

于是，所有任務(wù)可以分成兩種，一種是同步任務(wù)（synchronous），另一種是異步任務(wù)（asynchronous）。同步任務(wù)指的是，在主線程上排隊(duì)執(zhí)行的任務(wù)，只有前一個(gè)任務(wù)執(zhí)行完畢，才能執(zhí)行后一個(gè)任務(wù)；異步任務(wù)指的是，不進(jìn)入主線程、而進(jìn)入"任務(wù)隊(duì)列"（task queue）的任務(wù)，只有"任務(wù)隊(duì)列"通知主線程，某個(gè)異步任務(wù)可以執(zhí)行了，該任務(wù)才會(huì)進(jìn)入主線程執(zhí)行。

具體來說，異步執(zhí)行的運(yùn)行機(jī)制如下。（同步執(zhí)行也是如此，因?yàn)樗梢员灰暈闆]有異步任務(wù)的異步執(zhí)行。）

所有同步任務(wù)都在主線程上執(zhí)行，形成一個(gè)執(zhí)行棧（execution context stack）。主線程之外，還存在一個(gè)"任務(wù)隊(duì)列"（task queue）。只要異步任務(wù)有了運(yùn)行結(jié)果，就在"任務(wù)隊(duì)列"之中放置一個(gè)事件。一旦"執(zhí)行棧"中的所有同步任務(wù)執(zhí)行完畢，系統(tǒng)就會(huì)讀取"任務(wù)隊(duì)列"，看看里面有哪些事件。那些對應(yīng)的異步任務(wù)，于是結(jié)束等待狀態(tài)，進(jìn)入執(zhí)行棧，開始執(zhí)行。主線程不斷重復(fù)上面的第三步。

只要主線程空了，就會(huì)去讀取"任務(wù)隊(duì)列"，這就是JavaScript的運(yùn)行機(jī)制。這個(gè)過程會(huì)不斷重復(fù)。

3. 定時(shí)器 setTimeout與setInterval

定時(shí)器功能主要由setTimeout()和setInterval()這兩個(gè)函數(shù)來完成，它們的內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制完全一樣，區(qū)別在于前者指定的代碼是一次性執(zhí)行，后者則為反復(fù)執(zhí)行。

setTimeout(fn,0)的含義是，指定某個(gè)任務(wù)在主線程最早可得的空閑時(shí)間執(zhí)行，也就是說，盡可能早得執(zhí)行。它在"任務(wù)隊(duì)列"的尾部添加一個(gè)事件，因此要等到同步任務(wù)和"任務(wù)隊(duì)列"現(xiàn)有的事件都處理完，才會(huì)得到執(zhí)行。

HTML5標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了setTimeout()的第二個(gè)參數(shù)的最小值（最短間隔），不得低于4毫秒，如果低于這個(gè)值，就會(huì)自動(dòng)增加。在此之前，老版本的瀏覽器都將最短間隔設(shè)為10毫秒。另外，對于那些DOM的變動(dòng)（尤其是涉及頁面重新渲染的部分），通常不會(huì)立即執(zhí)行，而是每16毫秒執(zhí)行一次。這時(shí)使用requestAnimationFrame()的效果要好于setTimeout()。

需要注意的是，setTimeout()只是將事件插入了"任務(wù)隊(duì)列"，必須等到當(dāng)前代碼（執(zhí)行棧）執(zhí)行完，主線程才會(huì)去執(zhí)行它指定的回調(diào)函數(shù)。要是當(dāng)前代碼耗時(shí)很長，有可能要等很久，所以并沒有辦法保證，回調(diào)函數(shù)一定會(huì)在setTimeout()指定的時(shí)間執(zhí)行。

4. Node.js的Event Loop

事件輪詢主要是針對事件隊(duì)列進(jìn)行輪詢，事件生產(chǎn)者將事件排隊(duì)放入隊(duì)列中，隊(duì)列另外一端有一個(gè)線程稱為事件消費(fèi)者會(huì)不斷查詢隊(duì)列中是否有事件，如果有事件，就立即會(huì)執(zhí)行，為了防止執(zhí)行過程中有堵塞操作影響當(dāng)前線程讀取隊(duì)列，事件消費(fèi)者線程會(huì)委托一個(gè)線程池專門執(zhí)行這些堵塞操作。

Javascript前端和Node.js的機(jī)制類似這個(gè)事件輪詢模型，有的人認(rèn)為Node.js是單線程，也就是事件消費(fèi)者是單線程不斷輪詢，如果有堵塞操作怎么辦，不是堵塞了當(dāng)前單線程的執(zhí)行嗎？

其實(shí)Node.js底層也有一個(gè)線程池，線程池專門用來執(zhí)行各種堵塞操作，這樣不會(huì)影響單線程這個(gè)主線程進(jìn)行隊(duì)列中事件輪詢和一些任務(wù)執(zhí)行，線程池操作完以后，又會(huì)作為事件生產(chǎn)者將操作結(jié)果放入同一個(gè)隊(duì)列中。

總之，一個(gè)事件輪詢Event Loop需要三個(gè)組件：

事件隊(duì)列Event Queue，屬于FIFO模型，一端推入事件數(shù)據(jù)，另外一端拉出事件數(shù)據(jù)，兩端只通過這個(gè)隊(duì)列通訊，屬于一種異步的松耦合。隊(duì)列的讀取輪詢線程，事件的消費(fèi)者，Event Loop的主角。單獨(dú)線程池Thread Pool，專門用來執(zhí)行長任務(wù)，重任務(wù)，干繁重體力活的。

Node.js也是單線程的Event Loop，但是它的運(yùn)行機(jī)制不同于瀏覽器環(huán)境。

根據(jù)上圖，Node.js的運(yùn)行機(jī)制如下。

V8引擎解析JavaScript腳本。解析后的代碼，調(diào)用Node API。 libuv庫負(fù)責(zé)Node API的執(zhí)行。它將不同的任務(wù)分配給不同的線程，形成一個(gè)Event Loop（事件循環(huán)），以異步的方式將任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果返回給V8引擎。 V8引擎再將結(jié)果返回給用戶。

我們可以看到node.js的核心實(shí)際上是libuv這個(gè)庫。這個(gè)庫是c寫的，它可以使用多線程技術(shù)，而我們的Javascript應(yīng)用是單線程的。

Nodejs 的異步任務(wù)執(zhí)行流程：

用戶寫的代碼是單線程的，但nodejs內(nèi)部并不是單線程！

事件機(jī)制：

Node.js不是用多個(gè)線程為每個(gè)請求執(zhí)行工作的，相反而是它把所有工作添加到一個(gè)事件隊(duì)列中，然后有一個(gè)單獨(dú)線程，來循環(huán)提取隊(duì)列中的事件。事件循環(huán)線程抓取事件隊(duì)列中最上面的條目，執(zhí)行它，然后抓取下一個(gè)條目。當(dāng)執(zhí)行長期運(yùn)行或有阻塞I/O的代碼時(shí)

在Node.js中，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)單線程不斷地輪詢隊(duì)列中是否有事件，對于數(shù)據(jù)庫文件系統(tǒng)等I/O操作，包括HTTP請求等等這些容易堵塞等待的操作，如果也是在這個(gè)單線程中實(shí)現(xiàn)，肯定會(huì)堵塞影響其他工作任務(wù)的執(zhí)行，Javascript/Node.js會(huì)委托給底層的線程池執(zhí)行，并會(huì)告訴線程池一個(gè)回調(diào)函數(shù)，這樣單線程繼續(xù)執(zhí)行其他事情，當(dāng)這些堵塞操作完成后，其結(jié)果與提供的回調(diào)函數(shù)一起再放入隊(duì)列中，當(dāng)單線程從隊(duì)列中不斷讀取事件，讀取到這些堵塞的操作結(jié)果后，會(huì)將這些操作結(jié)果作為回調(diào)函數(shù)的輸入?yún)?shù)，然后激活運(yùn)行回調(diào)函數(shù)。

請注意，Node.js的這個(gè)單線程不只是負(fù)責(zé)讀取隊(duì)列事件，還會(huì)執(zhí)行運(yùn)行回調(diào)函數(shù)，這是它區(qū)別于多線程模式的一個(gè)主要特點(diǎn)，多線程模式下，單線程只負(fù)責(zé)讀取隊(duì)列事件，不再做其他事情，會(huì)委托其他線程做其他事情，特別是多核的情況下，一個(gè)CPU核負(fù)責(zé)讀取隊(duì)列事件，一個(gè)CPU核負(fù)責(zé)執(zhí)行激活的任務(wù)，這種方式最適合很耗費(fèi)CPU計(jì)算的任務(wù)。反過來，Node..js的執(zhí)行激活任務(wù)也就是回調(diào)函數(shù)中的任務(wù)還是在負(fù)責(zé)輪詢的單線程中執(zhí)行，這就注定了它不能執(zhí)行CPU繁重的任務(wù)，比如JSON轉(zhuǎn)換為其他數(shù)據(jù)格式等等，這些任務(wù)會(huì)影響事件輪詢的效率。

5. Nodejs特點(diǎn)

NodeJS的顯著特點(diǎn)：異步機(jī)制、事件驅(qū)動(dòng)。

事件輪詢的整個(gè)過程沒有阻塞新用戶的連接，也不需要維護(hù)連接?；谶@樣的機(jī)制，理論上陸續(xù)有用戶請求連接，NodeJS都可以進(jìn)行響應(yīng)，因此NodeJS能支持比Java、php程序更高的并發(fā)量。

雖然維護(hù)事件隊(duì)列也需要成本，再由于NodeJS是單線程，事件隊(duì)列越長，得到響應(yīng)的時(shí)間就越長，并發(fā)量上去還是會(huì)力不從心。

RESTful API是NodeJS最理想的應(yīng)用場景，可以處理數(shù)萬條連接，本身沒有太多的邏輯，只需要請求API，組織數(shù)據(jù)進(jìn)行返回即可。

6. 實(shí)例

看一個(gè)具體實(shí)例：

console.log('1')
setTimeout(function() {
 console.log('2')
 new Promise(function(resolve) {
 console.log('4')
 resolve()
 }).then(function() {
 console.log('5')
 })
 setTimeout(() => {
 console.log('haha')
 })
 new Promise(function(resolve) {
 console.log('6')
 resolve()
 }).then(function() {
 console.log('66')
 })
})
setTimeout(function() {
 console.log('hehe')
}, 0)
new Promise(function(resolve) {
 console.log('7')
 resolve()
}).then(function() {
 console.log('8')
})
setTimeout(function() {
 console.log('9')
 new Promise(function(resolve) {
 console.log('11')
 resolve()
 }).then(function() {
 console.log('12')
 })
})
new Promise(function(resolve) {
 console.log('13')
 resolve()
}).then(function() {
 console.log('14')
})
// node1 : 1,7,13,8,14,2,4,6,hehe,9,11,5,66,12,haha // 結(jié)果不穩(wěn)定
// node2 : 1,7,13,8,14,2,4,6,hehe,5,66,9,11,12,haha // 結(jié)果不穩(wěn)定
// node3 : 1,7,13,8,14,2,4,6,5,66,hehe,9,11,12,haha // 結(jié)果不穩(wěn)定
// chrome : 1,7,13,8,14,2,4,6,5,66,hehe,9,11,12,haha

chrome的運(yùn)行比較穩(wěn)定，而node環(huán)境下運(yùn)行不穩(wěn)定，可能會(huì)出現(xiàn)兩種情況。

chrome運(yùn)行的結(jié)果的原因是Promise、process.nextTick()的微任務(wù)Event Queue運(yùn)行的權(quán)限比普通宏任務(wù)Event Queue權(quán)限高，如果取事件隊(duì)列中的事件的時(shí)候有微任務(wù)，就先執(zhí)行微任務(wù)隊(duì)列里的任務(wù)，除非該任務(wù)在下一輪的Event Loop中，微任務(wù)隊(duì)列清空了之后再執(zhí)行宏任務(wù)隊(duì)列里的任務(wù)。