JavaScript运行机制之事件循环(Event Loop)详解

一、为什么JavaScript是单线程？

JavaScript语言的一大特点就是单线程，也就是说，同一个时间只能做一件事。那么，为什么JavaScript不能有多个线程呢？这样能提高效率啊。

JavaScript的单线程，与它的用途有关。作为浏览器脚本语言，JavaScript的主要用途是与用户互动，以及操作DOM。这决定了它只能是单线程，否则会带来很复杂的同步问题。比如，假定JavaScript同时有两个线程，一个线程在某个DOM节点上添加内容，另一个线程删除了这个节点，这时浏览器应该以哪个线程为准？
所以，为了避免复杂性，从一诞生，JavaScript就是单线程，这已经成了这门语言的核心特征，将来也不会改变。

为了利用多核CPU的计算能力，HTML5提出Web Worker标准，允许JavaScript脚本创建多个线程，但是子线程完全受主线程控制，且不得操作DOM。所以，这个新标准并没有改变JavaScript单线程的本质。

二、任务队列

单线程就意味着，所有任务需要排队，前一个任务结束，才会执行后一个任务。如果前一个任务耗时很长，后一个任务就不得不一直等着。

如果排队是因为计算量大，CPU忙不过来，倒也算了，但是很多时候CPU是闲着的，因为IO设备（输入输出设备）很慢（比如Ajax操作从网络读取数据），不得不等着结果出来，再往下执行。

JavaScript语言的设计者意识到，这时CPU完全可以不管IO设备，挂起处于等待中的任务，先运行排在后面的任务。等到IO设备返回了结果，再回过头，把挂起的任务继续执行下去。

于是，JavaScript就有了两种执行方式：一种是CPU按顺序执行，前一个任务结束，再执行下一个任务，这叫做同步执行；另一种是CPU跳过等待时间长的任务，先处理后面的任务，这叫做异步执行。程序员自主选择，采用哪种执行方式。

具体来说，异步执行的运行机制如下。（同步执行也是如此，因为它可以被视为没有异步任务的异步执行。）

（1）所有任务都在主线程上执行，形成一个执行栈（execution context stack）。
（2）主线程之外，还存在一个"任务队列"（task queue）。系统把异步任务放到"任务队列"之中，然后继续执行后续的任务。
（3）一旦"执行栈"中的所有任务执行完毕，系统就会读取"任务队列"。如果这个时候，异步任务已经结束了等待状态，就会从"任务队列"进入执行栈，恢复执行。
（4）主线程不断重复上面的第三步。

下图就是主线程和任务队列的示意图。

只要主线程空了，就会去读取"任务队列"，这就是JavaScript的运行机制。这个过程会不断重复。

三、事件和回调函数

"任务队列"实质上是一个事件的队列（也可以理解成消息的队列），IO设备完成一项任务，就在"任务队列"中添加一个事件，表示相关的异步任务可以进入"执行栈"了。主线程读取"任务队列"，就是读取里面有哪些事件。

"任务队列"中的事件，除了IO设备的事件以外，还包括一些用户产生的事件（比如鼠标点击、页面滚动等等）。只要指定过回调函数，这些事件发生时就会进入"任务队列"，等待主线程读取。

所谓"回调函数"（callback），就是那些会被主线程挂起来的代码。异步任务必须指定回调函数，当异步任务从"任务队列"回到执行栈，回调函数就会执行。

"任务队列"是一个先进先出的数据结构，排在前面的事件，优先返回主线程。主线程的读取过程基本上是自动的，只要执行栈一清空，"任务队列"上第一位的事件就自动返回主线程。但是，由于存在后文提到的"定时器"功能，主线程要检查一下执行时间，某些事件必须要在规定的时间返回主线程。

四、Event Loop

主线程从"任务队列"中读取事件，这个过程是循环不断的，所以整个的这种运行机制又称为Event Loop（事件循环）。

为了更好地理解Event Loop，请看下图（转引自Philip Roberts的演讲《Help, I'm stuck in an event-loop》）。

上图中，主线程运行的时候，产生堆（heap）和栈（stack），栈中的代码调用各种外部API，它们在"任务队列"中加入各种事件（click，load，done）。只要栈中的代码执行完毕，主线程就会去读取"任务队列"，依次执行那些事件所对应的回调函数。

执行栈中的代码，总是在读取"任务队列"之前执行。请看下面这个例子。

var req = new XMLHttpRequest();

    req.open('GET', url);    

    req.onload = function (){};    

    req.onerror = function (){};    

    req.send();

上面代码中的req.send方法是Ajax操作向服务器发送数据，它是一个异步任务，意味着只有当前脚本的所有代码执行完，系统才会去读取"任务队列"。所以，它与下面的写法等价。

  var req = new XMLHttpRequest();

    req.open('GET', url);

    req.send();

    req.onload = function (){};    

    req.onerror = function (){};  

也就是说，指定回调函数的部分（onload和onerror），在send()方法的前面或后面无关紧要，因为它们属于执行栈的一部分，系统总是执行完它们，才会去读取"任务队列"。

五、定时器

除了放置异步任务，"任务队列"还有一个作用，就是可以放置定时事件，即指定某些代码在多少时间之后执行。这叫做"定时器"（timer）功能，也就是定时执行的代码。

定时器功能主要由setTimeout()和setInterval()这两个函数来完成，它们的内部运行机制完全一样，区别在于前者指定的代码是一次性执行，后者则为反复执行。以下主要讨论setTimeout()。

setTimeout()接受两个参数，第一个是回调函数，第二个是推迟执行的毫秒数。

console.log(1);

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

console.log(3);

上面代码的执行结果是1，3，2，因为setTimeout()将第二行推迟到1000毫秒之后执行。

如果将setTimeout()的第二个参数设为0，就表示当前代码执行完（执行栈清空）以后，立即执行（0毫秒间隔）指定的回调函数。

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

console.log(2);

上面代码的执行结果总是2，1，因为只有在执行完第二行以后，系统才会去执行"任务队列"中的回调函数。
HTML5标准规定了setTimeout()的第二个参数的最小值（最短间隔），不得低于4毫秒，如果低于这个值，就会自动增加。在此之前，老版本的浏览器都将最短间隔设为10毫秒。

另外，对于那些DOM的变动（尤其是涉及页面重新渲染的部分），通常不会立即执行，而是每16毫秒执行一次。这时使用requestAnimationFrame()的效果要好于setTimeout()。

需要注意的是，setTimeout()只是将事件插入了"任务队列"，必须等到当前代码（执行栈）执行完，主线程才会去执行它指定的回调函数。要是当前代码耗时很长，有可能要等很久，所以并没有办法保证，回调函数一定会在setTimeout()指定的时间执行。

六、Node.js的Event Loop

Node.js也是单线程的Event Loop，但是它的运行机制不同于浏览器环境。

请看下面的示意图（作者@BusyRich）。

根据上图，Node.js的运行机制如下。

（1）V8引擎解析JavaScript脚本。
（2）解析后的代码，调用Node API。
（3）libuv库负责Node API的执行。它将不同的任务分配给不同的线程，形成一个Event Loop（事件循环），以异步的方式将任务的执行结果返回给V8引擎。
（4）V8引擎再将结果返回给用户。

除了setTimeout和setInterval这两个方法，Node.js还提供了另外两个与"任务队列"有关的方法：process.nextTick和setImmediate。它们可以帮助我们加深对"任务队列"的理解。

process.nextTick方法可以在当前"执行栈"的尾部----主线程下一次读取"任务队列"之前----触发回调函数。也就是说，它指定的任务总是发生在所有异步任务之前。setImmediate方法则是在当前"任务队列"的尾部触发回调函数，也就是说，它指定的任务总是在主线程下一次读取"任务队列"时执行，这与setTimeout(fn, 0)很像。请看下面的例子（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

上面代码中，由于process.nextTick方法指定的回调函数，总是在当前"执行栈"的尾部触发，所以不仅函数A比setTimeout指定的回调函数timeout先执行，而且函数B也比timeout先执行。这说明，如果有多个process.nextTick语句（不管它们是否嵌套），将全部在当前"执行栈"执行。

现在，再看setImmediate。

setImmediate(function A() {

  console.log(1);

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

});
setTimeout(function timeout() {

  console.log('TIMEOUT FIRED');

}, 0)

// 1

// TIMEOUT FIRED

// 2

上面代码中，有两个setImmediate。第一个setImmediate，指定在当前"任务队列"尾部（下一次"事件循环"时）触发回调函数A；然后，setTimeout也是指定在当前"任务队列"尾部触发回调函数timeout，所以输出结果中，TIMEOUT FIRED排在1的后面。至于2排在TIMEOUT FIRED的后面，是因为setImmediate的另一个重要特点：一次"事件循环"只能触发一个由setImmediate指定的回调函数。

我们由此得到了一个重要区别：多个process.nextTick语句总是一次执行完，多个setImmediate则需要多次才能执行完。事实上，这正是Node.js 10.0版添加setImmediate方法的原因，否则像下面这样的递归调用process.nextTick，将会没完没了，主线程根本不会去读取"事件队列"！

process.nextTick(function foo() {

  process.nextTick(foo);

});

事实上，现在要是你写出递归的process.nextTick，Node.js会抛出一个警告，要求你改成setImmediate。
另外，由于process.nextTick指定的回调函数是在本次"事件循环"触发，而setImmediate指定的是在下次"事件循环"触发，所以很显然，前者总是比后者发生得早，而且执行效率也高（因为不用检查"任务队列"）。