事件循环机制的那些事

写在前面

校招笔试中我们经常会遇到这样一个问题:

看完这道题的我自信的写下了答案: 1,2,4,3

面试官:为什么是这个答案?

我:首先打印 1,遇到定时器,等待时间为0,所以打印 2,又遇到一个定时器,等待时间为2秒,所以先打印 4,两秒后打印 3

然后就……

与这段代码相关的知识点就是JavaScript事件循环机制,下面将从有关的基本概念出发,先了解了相关的概念,才能更好的理解事件循环的机制原理。以下都是自己的个人理解,如有不正确的地方,欢迎大家在评论区拍砖。

线程与进程

关于线程与进程的关系可以用下面的图进行说明:

  • 进程好比图中的工厂,有单独的专属自己的工厂资源。
  • 线程好比图中的工人,多个工人在一个工厂中协作工作,工厂与工人是 1:n的关系。
  • 多个工厂之间独立存在。

而官方的说法是:

  • 进程是 CPU资源分配的最小单位。
  • 线程是 CPU调度的最小单位。

从更直观的例子来看,可以打开任务管理器查看,第一个 tab便是进程列表,每一个进程占有的 CPU资源和内存资源的比例很直观的展示出来。

为什么js是单线程

初学计算机语言的时候,无论是 C、C++还是 JAVA,都是支持多线程,偏偏 JavaScript是单线程,不支持多线程,这也跟 JavaScript的作用有关,都知道 JavaScript是主要运行在浏览器的脚本语言,最终操作的是页面的 DOM结构,当两个 JavaScript脚本同时修改页面的同一个 DOM节点时,浏览器该执行哪个呢?所以当时设计 JavaScript时,便要求当前修改操作完成后方可进行下一步修改操作。

浏览器是支持多进程

同样我们打开浏览器的任务管理器,以下图为例:

浏览器的每一个 tab页都是一个进程,有对应的内存占用空间、 CPU使用量以及进程ID。 新打开一个 tab页时,都会新建一个进程,所以就有一个 tab页对应一个进程的说法,但是这种说法又是错误的,因为浏览器有自己的优化机制,当我们打开多个空白的 tab页时,浏览器会将这多个空白页的进程合并为一个,从而减少了进程的数量个数。

浏览器内核

浏览器内核中有多个进程在同步工作,今天涉及到的浏览器的进程主要包括以下进程:

  • Browser 进程

主进程,主要负责页面管理以及管理其他进程的创建和销毁等,常驻的线程有:

  • GUI渲染线程
  • JS引擎线程
  • 事件触发线程
  • 定时器触发线程
  • HTTP请求线程

GUI渲染线程

  • 主要负责页面的渲染,解析HTML、CSS,构建DOM树,布局和绘制等。
  • 当界面需要重绘或者由于某种操作引发回流时,将执行该线程。
  • 该线程与JS引擎线程互斥,当执行JS引擎线程时,GUI渲染会被挂起,当任务队列空闲时,JS引擎才会去执行GUI渲染。

JS引擎线程

  • 该线程当然是主要负责处理 JavaScript脚本,执行代码。
  • 也是主要负责执行准备好待执行的事件,即定时器计数结束,或者异步请求成功并正确返回时,将依次进入任务队列,等待 JS引擎线程的执行。
  • 当然,该线程与 GUI渲染线程互斥,当 JS引擎线程执行 JavaScript脚本时间过长,将导致页面渲染的阻塞。

事件触发线程

  • 主要负责将准备好的事件交给 JS引擎线程执行。
  • 比如 setTimeout定时器计数结束, ajax等异步请求成功并触发回调函数,或者用户触发点击事件时,该线程会将整装待发的事件依次加入到任务队列的队尾,等待 JS引擎线程的执行。

定时器触发线程

  • 顾名思义,负责执行异步定时器一类的函数的线程,如: setTimeout,setInterval
  • 主线程依次执行代码时,遇到定时器,会将定时器交给该线程处理,当计数完毕后,事件触发线程会将计数完毕后的事件加入到任务队列的尾部,等待JS引擎线程执行。

HTTP请求线程

  • 顾名思义,负责执行异步请求一类的函数的线程,如: Promise,anxios,ajax等。
  • 主线程依次执行代码时,遇到异步请求,会将函数交给该线程处理,当监听到状态码变更,如果有回调函数,事件触发线程会将回调函数加入到任务队列的尾部,等待JS引擎线程执行。

多个线程之间配合工作,各司其职。

  • Render 进程

浏览器渲染进程(浏览器内核),主要负责页面的渲染、JS执行以及事件的循环。

同步任务和异步任务

  • 同步任务 即可以立即执行的任务,例如 console.log() 打印一条日志、声明一个变量或者执行一次加法操作等。
  • 异步任务 相反不会立即执行的事件任务。异步任务包括宏任务微任务(后面会进行解释~)。
  • 常见的异步操作:
    • Ajax
    • DOM的事件操作
    • setTimeout
    • Promise的then方法
    • Node的读取文件

下图给出了同步任务与异步任务的执行流程:

  •  就像是一个容器,任务都是在栈中执行。
  • 主线程 就像是操作员,负责执行栈中的任务。
  • 任务队列 就像是等待被加工的物品。
  • 异步任务完成注册后会将回调函数加入任务队列等待主线程执行。
  • 执行栈中的同步任务执行完毕后,会查看并读取任务队列中的事件函数,于是任务队列的函数结束等待状态,进入执行栈,开始执行。

那么任务到底是如何入栈和出栈的呢?可以用一小段代码进行解释。

入栈与出栈

以下面的代码为例:

所以上面代码运行的结果为:1,3,2,5,4。

宏任务和微任务

异步任务分为宏任务和微任务,宏任务队列可以有多个,微任务队列只有一个。

宏任务和微任务的执行方式在浏览器和 Node 中有差异。

宏任务(macrotask)

script(全局任务), setTimeout, setInterval, setImmediate, I/O, UI rendering

微任务(macrotask)

process.nextTick, Promise.then(), Object.observe, MutationObserver

在微任务中 process.nextTick 优先级高于Promise

当一个异步任务入栈时,主线程判断该任务为异步任务,并把该任务交给异步处理模块处理,当异步处理模块处理完打到触发条件时,根据任务的类型,将回调函数压入任务队列。

  • 如果是宏任务,则新增一个宏任务队列,任务队列中的宏任务可以有多个来源。
  • 如果是微任务,则直接压入微任务队列。

所以上图的任务队列可以继续细化一下:

那么当栈为空时,宏任务和微任务的执行机制又是什么呢?

Event Loop

到这里,除了上面的问题,我们已经把事件循环的最基本的处理方式搞清楚了,但具体到异步任务中的宏任务和微任务,还没有弄明白。我们可以先顺一遍执行机制:

  • 从全局任务 script开始,任务依次进入栈中,被主线程执行,执行完后出栈。
  • 遇到异步任务,交给异步处理模块处理,对应的异步处理线程处理异步任务需要的操作,例如定时器的计数和异步请求监听状态的变更。
  • 当异步任务达到可执行状态时,事件触发线程将回调函数加入任务队列,等待栈为空时,依次进入栈中执行。

到这问题就来了,当异步任务进入栈执行时,是宏任务还是微任务呢?

  • 由于执行代码入口都是全局任务 script,而全局任务属于宏任务,所以当栈为空,同步任务任务执行完毕时,会先执行微任务队列里的任务。
  • 微任务队列里的任务全部执行完毕后,会读取宏任务队列中拍最前的任务。
  • 执行宏任务的过程中,遇到微任务,依次加入微任务队列。
  • 栈空后,再次读取微任务队列里的任务,依次类推。

实例解析

回到最开始的那段代码,现在我们可以一步一步的看一下执行顺序。

  • 从全局任务入口,首先打印日志 1
  • 遇到宏任务 setTimeout,交给异步处理模块,我们暂且先记为 setTimeout1
  • 再次遇到宏任务 setTimeout,交给异步处理模块,我们暂且先记为 setTimeout2
  • 顺序执行,打印日志 4
  • 此时同步任务已执行完毕,读取宏任务队列的任务,先执行 setTimeout1的回调函数,因为定时器的等待时间为 0秒,所以会直接输出 2,但是 W3C在 HTML标准中规定,规定要求 setTimeout中低于 4ms的时间间隔算为 4ms
  • 由于浏览器在执行以上三步时,并未耗时很久,所以当宏任务 setTimeout1执行完时, setTimeout2的等待时间并未结束,所以在 2秒后打印日志 3,实际上并未等待2秒。

下面我们可以再看一个实例:

当代码中遇到了异步请求的事件,又该如何执行,根据上面总结的执行机制,又该得到什么样的结果?

第一轮循环

  • 同样从全局任务入口,遇到宏任务 setTimeout,交给异步处理模块,我们暂且先记为 setTimeout1,由于等待时间为 0,直接加入宏任务队列。
  • 再次遇到宏任务 setTimeout,交给异步处理模块,我们暂且先记为 setTimeout2,同样直接加入宏任务队列。
  • 遇到微任务 then(),加入微任务队列。
  • 最后遇到打印语句,直接打印日志 5

第一轮循环结束后,可以画出下图:

第二轮循环

  • 栈空后,先执行微任务队列中的 then()方法,输出 4,此时微任务队列为空。

  • 读取宏任务队列的最靠前的任务 setTimeout1
  • 先直接执行打印语句,打印日志 1,又遇到微任务 then(),加入微任务队列。第二轮循环结束。

第三轮循环

  • 先执行微任务队列中的 then()方法,输出 2,此时微任务队列为空。

  • 继续读取宏任务队列的最靠前的任务 setTimeout2
  • 直接执行打印语句,打印日志 3。第三轮循环结束,执行完毕。

最后我们是我们的boss,欢迎大家在评论区留言写出自己心中的那个正确答案。

 

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