Node中如何實現(xiàn)事件循環(huán)

這篇文章主要介紹Node中如何實現(xiàn)事件循環(huán)，文中介紹的非常詳細(xì)，具有一定的參考價值，感興趣的小伙伴們一定要看完！

Node.js是單線程的語言，是通過事件循環(huán)處理非阻塞I/O操作的。

Node.js 做為 JavaScript 的服務(wù)端運行時，主要與網(wǎng)絡(luò)、文件打交道，沒有了瀏覽器中事件循環(huán)的渲染階段。

在瀏覽器中有 HTML 規(guī)范來定義事件循環(huán)的處理模型，之后由各瀏覽器廠商實現(xiàn)。Node.js 中事件循環(huán)的定義與實現(xiàn)均來自于 Libuv。

Libuv 圍繞事件驅(qū)動的異步 I/O 模型而設(shè)計，最初是為 Node.js 編寫的，提供了一個跨平臺的支持庫。下圖展示了它的組成部分，Network I/O 是網(wǎng)絡(luò)處理相關(guān)的部分，右側(cè)還有文件操作、DNS，底部 epoll、kqueue、event ports、IOCP 這些是底層不同操作系統(tǒng)的實現(xiàn)。

事件循環(huán)的六個階段

當(dāng) Node.js 啟動時，它會初始化事件循環(huán)，處理提供的腳本，同步代碼入棧直接執(zhí)行，異步任務(wù)（網(wǎng)絡(luò)請求、文件操作、定時器等）在調(diào)用 API 傳遞回調(diào)函數(shù)后會把操作轉(zhuǎn)移到后臺由系統(tǒng)內(nèi)核處理。目前大多數(shù)內(nèi)核都是多線程的，當(dāng)其中一個操作完成時，內(nèi)核通知 Node.js 將回調(diào)函數(shù)添加到輪詢隊列中等待時機(jī)執(zhí)行。

下圖左側(cè)是 Node.js 官網(wǎng)對事件循環(huán)過程的描述，右側(cè)是 Libuv 官網(wǎng)對 Node.js 的描述，都是對事件循環(huán)的介紹，不是所有人上來都能去看源碼的，這兩個文檔通常也是對事件循環(huán)更直接的學(xué)習(xí)參考文檔，在 Node.js 官網(wǎng)介紹的也還是挺詳細(xì)的，可以做為一個參考資料學(xué)習(xí)。

左側(cè) Node.js 官網(wǎng)展示的事件循環(huán)分為 6 個階段，每個階段都有一個 FIFO（先進(jìn)先出）隊列執(zhí)行回調(diào)函數(shù)，這幾個階段之間執(zhí)行的優(yōu)先級順序還是明確的。

右側(cè)更詳細(xì)的描述了，在事件循環(huán)迭代前，先去判斷循環(huán)是否處于活動狀態(tài)（有等待的異步 I/O、定時器等），如果是活動狀態(tài)開始迭代，否則循環(huán)將立即退出。

下面對每個階段分別討論。

timers（定時器階段）

首先事件循環(huán)進(jìn)入定時器階段，該階段包含兩個 API setTimeout(cb, ms)、setInterval(cb, ms) 前一個是僅執(zhí)行一次，后一個是重復(fù)執(zhí)行。

這個階段檢查是否有到期的定時器函數(shù)，如果有則執(zhí)行到期的定時器回調(diào)函數(shù)，和瀏覽器中的一樣，定時器函數(shù)傳入的延遲時間總比我們預(yù)期的要晚，它會受到操作系統(tǒng)或其它正在運行的回調(diào)函數(shù)的影響。

例如，下例我們設(shè)置了一個定時器函數(shù)，并預(yù)期在 1000 毫秒后執(zhí)行。

const now = Date.now();
setTimeout(function timer1(){
  log(`delay ${Date.now() - now} ms`);
}, 1000);
setTimeout(function timer2(){
 log(`delay ${Date.now() - now} ms`);
}, 5000);
someOperation();

function someOperation() {
  // sync operation...
  while (Date.now() - now < 3000) {}
}

當(dāng)調(diào)用 setTimeout 異步函數(shù)后，程序緊接著執(zhí)行了 someOperation() 函數(shù)，中間有些耗時操作大約消耗 3000ms，當(dāng)完成這些同步操作后，進(jìn)入一次事件循環(huán)，首先檢查定時器階段是否有到期的任務(wù)，定時器的腳本是按照 delay 時間升序存儲在堆內(nèi)存中，首先取出超時時間最小的定時器函數(shù)做檢查，如果 nowTime - timerTaskRegisterTime > delay 取出回調(diào)函數(shù)執(zhí)行，否則繼續(xù)檢查，當(dāng)檢查到一個沒有到期的定時器函數(shù)或達(dá)到系統(tǒng)依賴的最大數(shù)量限制后，轉(zhuǎn)移到下一階段。

在我們這個示例中，假設(shè)執(zhí)行完 someOperation() 函數(shù)的當(dāng)前時間為 T + 3000：

檢查 timer1 函數(shù)，當(dāng)前時間為 T + 3000 - T > 1000，已超過預(yù)期的延遲時間，取出回調(diào)函數(shù)執(zhí)行，繼續(xù)檢查。

檢查 timer2 函數(shù)，當(dāng)前時間為 T + 3000 - T < 5000，還沒達(dá)到預(yù)期的延遲時間，此時退出定時器階段。

pending callbacks

定時器階段完成后，事件循環(huán)進(jìn)入到 pending callbacks 階段，在這個階段執(zhí)行上一輪事件循環(huán)遺留的 I/O 回調(diào)。根據(jù) Libuv 文檔的描述：大多數(shù)情況下，在輪詢 I/O 后立即調(diào)用所有 I/O 回調(diào)，但是，某些情況下，調(diào)用此類回調(diào)會推遲到下一次循環(huán)迭代。聽完更像是上一個階段的遺留。

idle, prepare

idle, prepare 階段是給系統(tǒng)內(nèi)部使用，idle 這個名字很迷惑，盡管叫空閑，但是在每次的事件循環(huán)中都會被調(diào)用，當(dāng)它們處于活動狀態(tài)時。這一塊的資料介紹也不是很多。略...

poll

poll 是一個重要的階段，這里有一個概念觀察者，有文件 I/O 觀察者，網(wǎng)絡(luò) I/O 觀察者等，它會觀察是否有新的請求進(jìn)入，包含讀取文件等待響應(yīng)，等待新的 socket 請求，這個階段在某些情況下是會阻塞的。

阻塞 I/O 超時時間

在阻塞 I/O 之前，要計算它應(yīng)該阻塞多長時間，參考 Libuv 文檔上的一些描述，以下這些是它計算超時時間的規(guī)則：

如果循環(huán)使用 UV_RUN_NOWAIT 標(biāo)志運行、超時為 0。

如果循環(huán)將要停止（uv_stop() 被調(diào)用），超時為 0。

如果沒有活動的 handlers 或 request，超時為 0。

如果有任何 idle handlers 處于活動狀態(tài)，超時為 0。

如果有任何待關(guān)閉的 handlers，超時為 0。

如果以上情況都沒有，則采用最近定時器的超時時間，或者如果沒有活動的定時器，則超時時間為無窮大，poll 階段會一直阻塞下去。

示例一

很簡單的一段代碼，我們啟動一個 Server，現(xiàn)在事件循環(huán)的其它階段沒有要處理的任務(wù)，它會在這里等待下去，直到有新的請求進(jìn)來。

const http = require('http');
const server = http.createServer();
server.on('request', req => {
  console.log(req.url);
})
server.listen(3000);

示例二

結(jié)合階段一的定時器，在看個示例，首先啟動 app.js 做為服務(wù)端，模擬延遲 3000ms 響應(yīng)，這個只是為了配合測試。再運行 client.js 看下事件循環(huán)的執(zhí)行過程：

首先程序調(diào)用了一個在 1000ms 后超時的定時器。

之后調(diào)用異步函數(shù) someAsyncOperation() 從網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)，我們假設(shè)這個異步網(wǎng)路讀取需要 3000ms。

當(dāng)事件循環(huán)開始時先進(jìn)入 timer 階段，發(fā)現(xiàn)沒有超時的定時器函數(shù)，繼續(xù)向下執(zhí)行。

期間經(jīng)過 pending callbacks -> idle,prepare 當(dāng)進(jìn)入 poll 階段，此時的 http.get() 尚未完成，它的隊列為空，參考上面 poll 阻塞超時時間規(guī)則，事件循環(huán)機(jī)制會檢查最快到達(dá)閥值的計時器，而不是一直在這里等待下去。

當(dāng)大約過了 1000ms 后，進(jìn)入下一次事件循環(huán)進(jìn)入定時器，執(zhí)行到期的定時器回調(diào)函數(shù)，我們會看到日志 setTimeout run after 1003 ms。

在定時器階段結(jié)束之后，會再次進(jìn)入 poll 階段，繼續(xù)等待。

// client.js
const now = Date.now();
setTimeout(() => log(`setTimeout run after ${Date.now() - now} ms`), 1000);
someAsyncOperation();
function someAsyncOperation() {
  http.get('http://localhost:3000/api/news', () => {
    log(`fetch data success after ${Date.now() - now} ms`);
  });
}

// app.js
const http = require('http');
http.createServer((req, res) => {
  setTimeout(() => { res.end('OK!') }, 3000);
}).listen(3000);

當(dāng) poll 階段隊列為空時，并且腳本被 setImmediate() 調(diào)度過，此時，事件循環(huán)也會結(jié)束 poll 階段，進(jìn)入下一個階段 check。

check

check 階段在 poll 階段之后運行，這個階段包含一個 API setImmediate(cb) 如果有被 setImmediate 觸發(fā)的回調(diào)函數(shù)，就取出執(zhí)行，直到隊列為空或達(dá)到系統(tǒng)的最大限制。

setTimeout VS setImmediate

拿 setTimeout 和 setImmediate 對比，這是一個常見的例子，基于被調(diào)用的時機(jī)和定時器可能會受到計算機(jī)上其它正在運行的應(yīng)用程序影響，它們的輸出順序，不總是固定的。

setTimeout(() => log('setTimeout'));
setImmediate(() => log('setImmediate'));

// 第一次運行
setTimeout
setImmediate

// 第二次運行
setImmediate
setTimeout

setTimeout VS setImmediate VS fs.readFile

但是一旦把這兩個函數(shù)放入一個 I/O 循環(huán)內(nèi)調(diào)用，setImmediate 將總是會被優(yōu)先調(diào)用。因為 setImmediate 屬于 check 階段，在事件循環(huán)中總是在 poll 階段結(jié)束后運行，這個順序是確定的。

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

close callbacks

在 Libuv 中，如果調(diào)用關(guān)閉句柄 uv_close()，它將調(diào)用關(guān)閉回調(diào)，也就是事件循環(huán)的最后一個階段 close callbacks。

這個階段的工作更像是做一些清理工作，例如，當(dāng)調(diào)用 socket.destroy()，'close' 事件將在這個階段發(fā)出，事件循環(huán)在執(zhí)行完這個階段隊列里的回調(diào)函數(shù)后，檢查循環(huán)是否還 alive，如果為 no 退出，否則繼續(xù)下一次新的事件循環(huán)。

包含 Microtask 的事件循環(huán)流程圖

在瀏覽器的事件循環(huán)中，把任務(wù)劃分為 Task、Microtask，在 Node.js 中是按照階段劃分的，上面我們介紹了 Node.js 事件循環(huán)的 6 個階段，給用戶使用的主要是 timer、poll、check、close callback 四個階段，剩下兩個由系統(tǒng)內(nèi)部調(diào)度。這些階段所產(chǎn)生的任務(wù)，我們可以看做 Task 任務(wù)源，也就是常說的 “Macrotask 宏任務(wù)”。

通常我們在談?wù)撘粋€事件循環(huán)時還會包含 Microtask，Node.js 里的微任務(wù)有 Promise、還有一個也許很少關(guān)注的函數(shù) queueMicrotask，它是在 Node.js v11.0.0 之后被實現(xiàn)的，參見 PR/22951。

Node.js 中的事件循環(huán)在每一個階段執(zhí)行后，都會檢查微任務(wù)隊列中是否有待執(zhí)行的任務(wù)。

Node.js 11.x 前后差異

Node.js 在 v11.x 前后，每個階段如果即存在可執(zhí)行的 Task 又存在 Microtask 時，會有一些差異，先看一段代碼：

setImmediate(() => {
  log('setImmediate1');
  Promise.resolve('Promise microtask 1')
    .then(log);
});
setImmediate(() => {
  log('setImmediate2');
  Promise.resolve('Promise microtask 2')
    .then(log);
});

在 Node.js v11.x 之前，當(dāng)前階段如果存在多個可執(zhí)行的 Task，先執(zhí)行完畢，再開始執(zhí)行微任務(wù)?；?v10.22.1 版本運行結(jié)果如下：

setImmediate1
setImmediate2
Promise microtask 1
Promise microtask 2

在 Node.js v11.x 之后，當(dāng)前階段如果存在多個可執(zhí)行的 Task，先取出一個 Task 執(zhí)行，并清空對應(yīng)的微任務(wù)隊列，再次取出下一個可執(zhí)行的任務(wù)，繼續(xù)執(zhí)行?；?v14.15.0 版本運行結(jié)果如下：

setImmediate1
Promise microtask 1
setImmediate2
Promise microtask 2

在 Node.js v11.x 之前的這個執(zhí)行順序問題，被認(rèn)為是一個應(yīng)該要修復(fù)的 Bug 在 v11.x 之后并修改了它的執(zhí)行時機(jī)，和瀏覽器保持了一致，詳細(xì)參見 issues/22257 討論。

特別的 process.nextTick()

Node.js 中還有一個異步函數(shù) process.nextTick()，從技術(shù)上講它不是事件循環(huán)的一部分，它在當(dāng)前操作完成后處理。如果出現(xiàn)遞歸的 process.nextTick() 調(diào)用，這將會很糟糕，它會阻斷事件循環(huán)。

如下例所示，展示了一個 process.nextTick() 遞歸調(diào)用示例，目前事件循環(huán)位于 I/O 循環(huán)內(nèi)，當(dāng)同步代碼執(zhí)行完成后 process.nextTick() 會被立即執(zhí)行，它會陷入無限循環(huán)中，與同步的遞歸不同的是，它不會觸碰 v8 最大調(diào)用堆棧限制。但是會破壞事件循環(huán)調(diào)度，setTimeout 將永遠(yuǎn)得不到執(zhí)行。

fs.readFile(__filename, () => {
  process.nextTick(() => {
    log('nextTick');
    run();
    function run() {
      process.nextTick(() => run());
    }
  });
  log('sync run');
  setTimeout(() => log('setTimeout'));
});

// 輸出
sync run
nextTick

將 process.nextTick 改為 setImmediate 雖然是遞歸的，但它不會影響事件循環(huán)調(diào)度，setTimeout 在下一次事件循環(huán)中被執(zhí)行。

fs.readFile(__filename, () => {
  process.nextTick(() => {
    log('nextTick');
    run();
    function run() {
      setImmediate(() => run());
    }
  });
  log('sync run');
  setTimeout(() => log('setTimeout'));
});

// 輸出
sync run
nextTick
setTimeout

process.nextTick 是立即執(zhí)行，setImmediate 是在下一次事件循環(huán)的 check 階段執(zhí)行。但是，它們的名字著實讓人費解，也許會想這兩個名字交換下比較好，但它屬于遺留問題，也不太可能會改變，因為這會破壞 NPM 上大部分的軟件包。

在 Node.js 的文檔中也建議開發(fā)者盡可能的使用 setImmediate()，也更容易理解。

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