Js异步机制的实现

GallacherThomas 发布于1月前

Js异步机制

JavaScript 是一门单线程语言,所谓单线程,就是指一次只能完成一件任务,如果有多个任务,就必须排队,前面一个任务完成,再执行后面一个任务,以此类推。这种模式的好处是实现起来比较简单,执行环境相对单纯,坏处是只要有一个任务耗时很长,后面的任务都必须排队等着,会拖延整个程序的执行。常见的浏览器无响应也就是假死状态,往往就是因为某一段 Javascript 代码长时间运行比如死循环,导致整个页面卡在这个地方,其他任务无法执行。

执行机制

为了解决上述问题, Javascript 将任务的执行模式分为两种:同步 Synchronous 与异步 Asynchronous ,同步或非同步,表明着是否需要将整个流程按顺序地完成,阻塞或非阻塞,意味着你调用的函数会不会立刻告诉你结果

同步

同步模式就是同步阻塞,后一个任务等待前一个任务结束,然后再执行,程序的执行顺序与任务的排列顺序是一致的、同步的。

var i = 100;
while(--i) { console.log(i); }
console.log("while 执行完毕我才能执行");

异步

异步执行就是非阻塞模式执行,每一个任务有一个或多个回调函数 callback ,前一个任务结束后,不是执行后一个任务,而是执行回调函数,后一个任务则是不等前一个任务结束就执行,所以程序的执行顺序与任务的排列顺序是不一致的、异步的。浏览器对于每个 Tab 只分配了一个 Js 线程,主要任务是与用户交互以及操作 DOM 等,而这也就决定它只能为单线程,否则会带来很复杂的同步问题,例如假定 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,这时浏览器无法确定以哪个线程的操作为准。

setTimeout(() => console.log("我后执行"), 0);
// 注意: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,此外这与浏览器设定、主线程以及任务队列也有关系,执行时间可能大于4ms,例如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()。
console.log("我先执行");

异步机制

首先来看一个例子,与上文一样来测试一个异步执行的操作

setTimeout(() => console.log("我在很长时间之后才执行"), 0);
var i = 3000000000;
while(--i) { }
console.log("循环执行完毕");

本地测试,设置的 setTimeout 回调函数大约在 30s 之后才执行,远远大于 4ms ,我在主线程设置了一个非常大的循环来阻塞 Js 主线程,注意我并没有设置一个死循环,假如我在此处设置死循环来阻塞主线程,那么设置的 setTimeout 回调函数将永远不会执行,此外由于渲染线程与 JS 引擎线程是互斥的, Js 线程在处理任务时渲染线程会被挂起,整个页面都将被阻塞,无法刷新甚至无法关闭,只能通过使用任务管理器结束 Tab 进程的方式关闭页面。

Js 实现异步是通过一个执行栈与一个任务队列来完成异步操作的,所有同步任务都是在主线程上执行的,形成执行栈,任务队列中存放各种事件回调(也可以称作消息),当执行栈中的任务处理完成后,主线程就开始读取任务队列中的任务并执行,不断往复循环。

例如上例中的 setTimeout 完成后的事件回调就存在任务队列中,这里需要说明的是浏览器定时计数器并不是由 JavaScript 引擎计数的,因为 JavaScript 引擎是单线程的,如果线程处于阻塞状态就会影响记计时的准确,计数是由浏览器线程进行计数的,当计数完毕,就将事件回调加入任务队列,同样 HTTP 请求在浏览器中也存在单独的线程,也是执行完毕后将事件回调置入任务队列。通过这个流程,就能够解释为什么上例中 setTimeout 的回调一直无法执行,是由于主线程也就是执行栈中的代码没有完成,不会去读取任务队列中的事件回调来执行,即使这个事件回调早已在任务队列中。

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 , Event Loop 是一个执行模型,在不同的地方有不同的实现,浏览器和 NodeJS 基于不同的技术实现了各自的 Event Loop 。浏览器的 Event Loop 是在 HTML5 的规范中明确定义, NodeJS 的 Event Loop 是基于 libuv 实现的。

在浏览器中的 Event Loop 由执行栈 Execution Stack 、后台线程 Background Threads 、宏队列 Macrotask Queue 、微队列 Microtask Queue 组成。

  • 执行栈就是在主线程执行同步任务的数据结构,函数调用形成了一个由若干帧组成的栈。
  • 后台线程就是浏览器实现对于 setTimeout 、 setInterval 、 XMLHttpRequest 等等的执行线程。
  • 宏队列,一些异步任务的回调会依次进入宏队列,等待后续被调用,包括 setTimeout 、 setInterval 、 setImmediate(Node) 、 requestAnimationFrame 、 UI rendering 、 I/O 等操作
  • 微队列,另一些异步任务的回调会依次进入微队列,等待后续调用,包括 Promise 、 process.nextTick(Node) 、 Object.observe 、 MutationObserver 等操作

当 Js 执行时,进行如下流程

  1. 首先将执行栈中代码同步执行,将这些代码中异步任务加入后台线程中
  2. 执行栈中的同步代码执行完毕后,执行栈清空,并开始扫描微队列
  3. 取出微队列队首任务,放入执行栈中执行,此时微队列是进行了出队操作
  4. 当执行栈执行完成后,继续出队微队列任务并执行,直到微队列任务全部执行完毕
  5. 最后一个微队列任务出队并进入执行栈后微队列中任务为空,当执行栈任务完成后,开始扫面微队列为空,继续扫描宏队列任务,宏队列出队,放入执行栈中执行,执行完毕后继续扫描微队列为空则扫描宏队列,出队执行
  6. 不断往复...

实例

// Step 1
console.log(1);

// Step 2
setTimeout(() => {
  console.log(2);
  Promise.resolve().then(() => {
    console.log(3);
  });
}, 0);

// Step 3
new Promise((resolve, reject) => {
  console.log(4);
  resolve();
}).then(() => {
  console.log(5);
})

// Step 4
setTimeout(() => {
  console.log(6);
}, 0);

// Step 5
console.log(7);

// Step N
// ...

// Result
/*
  1
  4
  7
  5
  2
  3
  6
*/

Step 1

// 执行栈 console
// 微队列 []
// 宏队列 []
console.log(1); // 1

Step 2

// 执行栈 setTimeout
// 微队列 []
// 宏队列 [setTimeout1]
setTimeout(() => {
  console.log(2);
  Promise.resolve().then(() => {
    console.log(3);
  });
}, 0);

Step 3

// 执行栈 Promise
// 微队列 [then1]
// 宏队列 [setTimeout1]
new Promise((resolve, reject) => {
  console.log(4); // 4 // Promise是个函数对象,此处是同步执行的 // 执行栈 Promise console
  resolve();
}).then(() => {
  console.log(5);
})

Step 4

// 执行栈 setTimeout
// 微队列 [then1]
// 宏队列 [setTimeout1 setTimeout2]
setTimeout(() => {
  console.log(6);
}, 0);

Step 5

// 执行栈 console
// 微队列 [then1]
// 宏队列 [setTimeout1 setTimeout2]
console.log(7); // 7

Step 6

// 执行栈 then1
// 微队列 []
// 宏队列 [setTimeout1 setTimeout2]
console.log(5); // 5

Step 7

// 执行栈 setTimeout1
// 微队列 [then2]
// 宏队列 [setTimeout2]
console.log(2); // 2
Promise.resolve().then(() => {
    console.log(3);
});

Step 8

// 执行栈 then2
// 微队列 []
// 宏队列 [setTimeout2]
console.log(3); // 3

Step 9

// 执行栈 setTimeout2
// 微队列 []
// 宏队列 []
console.log(6); // 6

参考

https://www.jianshu.com/p/1a35857c78e5
https://segmentfault.com/a/1190000016278115
https://segmentfault.com/a/1190000012925872
https://www.cnblogs.com/sunidol/p/11301808.html
http://www.ruanyifeng.com/blog/2014/10/event-loop.html
https://developer.mozilla.org/zh-CN/docs/Web/JavaScript/EventLoop

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