Node.js中的事件循环（Event Loop），计时器（Timers）以及process.nextTick（）

什么是事件循环（Event Loop）？

事件环使得Node.js可以执行非阻塞I/O 操作，只要有可能就将操作卸载到系统内核，尽管JavaScript是单线程的。

由于大多数现代（终端）内核都是多线程的，他们可以处理在后台执行的多个操作。当其中一个操作完成时，内核会通知Node.js，以便可以将适当的回调添加到轮询队列poll queue中以最终执行。我们将在本主题后面进一步详细解释这一点。

事件循环：解释

当Node.js开始运行，它初始化事件环、处理提供的输入脚本（或放入REPL，本文档未涉及），这可能会使异步API调用，计划定时器或调用process.nextTick（），然后开始处理事件循环。

下图显示了事件循环的操作顺序的简化概述。

   ┌───────────────────────┐
┌─>│    timers（计时器）    │
│  └──────────┬────────────┘
│  ┌──────────┴────────────┐
│  │     I/O callbacks     │
│  └──────────┬────────────┘
│  ┌──────────┴────────────┐
│  │   idle, prepare 内部  │
│  └──────────┬────────────┘      ┌───────────────┐
│  ┌──────────┴────────────┐      │   incoming:   │
│  │      poll（轮询）      │<─────┤  connections, │
│  └──────────┬────────────┘      │   data, etc.  │
│  ┌──────────┴────────────┐      └───────────────┘
│  │        check          │
│  └──────────┬────────────┘
│  ┌──────────┴────────────┐
└──┤    close callbacks    │
   └───────────────────────┘

注意：每个方框将被称为事件循环的“阶段”。

每个阶段都有一个执行回调的FIFO（First In First Out，先进先出）队列。虽然每个阶段都有其特定的方式，但通常情况下，当事件循环进入给定阶段时，它将执行特定于该阶段的任何操作，然后在该阶段的队列中执行回调，直到队列耗尽或回调的最大数量已执行。当队列耗尽或达到回调限制时，事件循环将移至下一个阶段，依此类推。

由于这些操作中的任何一个都可以调度更多的操作，并且在轮询阶段处理的新事件由内核排队，所以轮询事件可以在轮询事件正在处理的同时排队。因此，长时间运行的回调可以使轮询阶段的运行时间远远超过计时器的阈值。有关更多详细信息，请参阅定时器和轮询部分。

注意：Windows和Unix / Linux实现之间略有差异，但这对此演示并不重要。最重要的部分在这里。实际上有七八个步骤，但我们关心的那些 - Node.js实际使用的那些 - 就是上述那些。

阶段概述

定时器（timers）：此阶段执行由setTimeout()和setInterval()调度的回调。
I / O回调函数：执行几乎所有的回调函数，除了关闭回调函数，定时器计划的回调函数和setImmediate()。
闲置，准备（idle, prepare）：只在Node内部使用。
轮询（poll）：检索新的I / O事件; 适当时节点将在此处阻断进程。
检查（check）：setImmediate()回调在这里被调用。
关闭回调（close callbacks）：例如 socket.on('close'，...)。

在事件循环的每次运行之间，Node.js检查它是否正在等待任何异步I / O或定时器，并在没有任何异步I / O或定时器时清除关闭。

阶段详情

定时器

计时器指定阈值，之后可以执行提供的回调，而不是人们希望执行的确切时间。定时器回调将在指定的时间过后，按照预定的时间运行; 但是，操作系统调度或其他回调的运行可能会延迟它们。

注意：从技术上讲，轮询阶段控制何时执行定时器。

例如，假设您计划在100 ms阈值后执行超时，那么您的脚本将异步开始读取需要95 ms的文件：

const fs = require('fs');

function someAsyncOperation(callback) {
  // 假设这个读取将用耗时95ms
  fs.readFile('/path/to/file', callback);
}

const timeoutScheduled = Date.now();

setTimeout(() => {
  const delay = Date.now() - timeoutScheduled;

  console.log(`${delay}ms have passed since I was scheduled`);
}, 100);


// 执行一些异步操作将耗时 95ms
someAsyncOperation(() => {
  const startCallback = Date.now();

  // 执行一些可能耗时10ms的操作
  while (Date.now() - startCallback < 10) {
    // do nothing
  }
});

当事件循环进入轮询阶段时，它有一个空队列（fs.readFile()尚未完成），因此它将等待剩余的毫秒数，直到达到最快计时器的阈值。当它等待95ms传递时，fs.readFile()完成读取文件，并且需要10ms完成的回调被添加到轮询队列并执行。当回调完成时，队列中没有更多的回调，所以事件循环会看到已经达到最快计时器的阈值，然后回到计时器阶段以执行计时器的回调。在这个例子中，你会看到被调度的定时器和它正在执行的回调之间的总延迟将是105ms。

注意：为防止轮询阶段进入恶性事件循环，在停止轮询之前，libuv（实现Node.js事件循环的C库以及平台的所有异步行为）也有一个硬性最大值（取决于系统）来停止轮询更多的事件。

I / O回调

此阶段为某些系统操作（如TCP错误类型）执行回调。例如，如果尝试连接时TCP套接字收到ECONNREFUSED，则某些* nix系统要等待报告错误。这将排队在I / O回调阶段执行。

轮询

此阶段有两个主要的功能：

执行已过时的定时器脚本；
处理轮询队列中的事件。

当事件循环进入轮询阶段并且没有计时器时，会发生以下两件事之一：

如果轮询队列不为空，则事件循环将遍历其回调队列，同步执行它们，直到队列耗尽或达到系统相关硬限制。
如果轮询队列为空，则会发生以下两件事之一：

1）如果脚本已通过setImmediate()进行调度，则事件循环将结束轮询阶段并继续执行检查阶段以执行这些预定脚本。 2）如果脚本没有通过setImmediate()进行调度，则事件循环将等待回调被添加到队列中，然后立即执行它们。

一旦轮询队列为空，事件循环将检查已达到时间阈值的定时器。如果一个或多个定时器准备就绪，则事件循环将回退到定时器阶段以执行这些定时器的回调。

检查check

此阶段允许在轮询阶段结束后立即执行回调。如果轮询阶段变得空闲并且脚本已经使用setImmediate()排队，则事件循环可能会继续检查阶段而不是等待。

setImmediate()实际上是一个特殊的定时器，它在事件循环的一个单独的阶段中运行。它使用libuv API来调度回调，以在轮询阶段完成后执行。

通常，随着代码的执行，事件循环将最终进入轮询阶段，在那里它将等待传入的连接，请求等。但是，如果使用setImmediate()计划了回调并且轮询阶段变为空闲，将结束并继续进行检查阶段，而不是等待轮询事件。

关闭回调

如果套接字或句柄突然关闭（例如socket.destroy()），则在此阶段将发出'close'事件。否则它将通过process.nextTick()发出。

**setImmediate()**vs setTimeout()

setImmediate()和setTimeout()是相似的，但取决于它们何时被调用，其行为方式不同。

setImmediate()用于在当前轮询阶段完成后执行脚本。
setTimeout()计划脚本在经过最小阈值（以毫秒为单位）后运行。

定时器执行的顺序取决于它们被调用的上下文。如果两者都是在主模块内调用的，那么时序将受到进程性能的限制（可能会受到计算机上运行的其他应用程序的影响）。

例如，如果我们运行以下不在I / O周期内的脚本（即主模块），则两个定时器的执行顺序是非确定性的，因为它受过程执行的约束：

// timeout_vs_immediate.js
setTimeout(() => {
  console.log('timeout');
}, 0);

setImmediate(() => {
  console.log('immediate');
});

$ node timeout_vs_immediate.js
timeout
immediate

$ node timeout_vs_immediate.js
immediate
timeout

但是，如果在I / O周期内移动这两个调用，则立即回调总是首先执行：

// timeout_vs_immediate.js
const fs = require('fs');

fs.readFile(__filename, () => {
  setTimeout(() => {
    console.log('timeout');
  }, 0);
  setImmediate(() => {
    console.log('immediate');
  });
});

$ node timeout_vs_immediate.js
immediate
timeout

$ node timeout_vs_immediate.js
immediate
timeout

使用setImmediate()超过setTimeout()的的主要优点是，如果在I / O周期内进行调度，将始终在任何计时器之前执行setImmediate()，而不管有多少个计时器。

process.nextTick()

理解process.nextTick()

您可能已经注意到process.nextTick()没有显示在图中，即使它是异步API的一部分。这是因为process.nextTick()在技术上并不是事件循环的一部分。相反，nextTickQueue将在当前操作完成后（阶段转换）处理，而不管事件循环的当前阶段如何。

回顾一下我们的图，只要你在给定的阶段调用process.nextTick()，所有传递给process.nextTick()的回调都将在事件循环继续之前被解析。这可能会造成一些不好的情况，因为它允许您通过递归process.nextTick()调用来“堵塞”您的I / O，从而防止事件循环到达轮询阶段。

为什么会被允许？

为什么像这样的东西被包含在Node.js中？其中一部分是一种设计理念，即即使不需要，API也应该始终是异步的。以此代码片段为例：

function apiCall(arg, callback) {
  if (typeof arg !== 'string')
    return process.nextTick(callback, new TypeError('argument should be string'));
}

代码片段进行参数检查，如果不正确，它会将错误传递给回调函数。最近更新的API允许将参数传递给process.nextTick()，以允许它将回调后传递的任何参数作为参数传播给回调函数，因此您不必嵌套函数。

我们正在做的是将错误传递给用户，但只有在我们允许执行其余用户的代码之后。通过使用process.nextTick()，我们保证apiCall()总是在用户代码的其余部分之后并且允许事件循环继续之前运行其回调。为了达到这个目的，JS调用堆栈被允许展开，然后立即执行提供的回调，允许人们对process.nextTick()进行递归调用，而不会出现RangeError：超出v8的最大调用堆栈大小。

这种理念会导致一些潜在的问题。以此片段为例：

let bar;

// this has an asynchronous signature, but calls callback synchronously
function someAsyncApiCall(callback) { callback(); }

// the callback is called before `someAsyncApiCall` completes.
someAsyncApiCall(() => {
  // since someAsyncApiCall has completed, bar hasn't been assigned any value
  console.log('bar', bar); // undefined
});

bar = 1;

用户定义someAsyncApiCall()具有异步签名，但它实际上是同步运行的。当它被调用时，提供给someAsyncApiCall()的回调将在事件循环的相同阶段被调用，因为someAsyncApiCall()实际上并不会异步执行任何操作。因此，回调会尝试引用栏，即使它在范围中可能没有该变量，因为该脚本无法运行到完成状态。

通过将回调放置在process.nextTick()中，脚本仍然具有运行到完成的能力，允许在调用回调之前对所有变量，函数等进行初始化。它还具有不允许事件循环继续的优点。在事件循环被允许继续之前，用户被告知错误可能是有用的。以下是使用process.nextTick()的前一个示例：

let bar;

function someAsyncApiCall(callback) {
  process.nextTick(callback);
}

someAsyncApiCall(() => {
  console.log('bar', bar); // 1
});

bar = 1;

这是另一个现实的例子：

const server = net.createServer(() => {}).listen(8080);

server.on('listening', () => {});

当只有一个端口通过时，该端口会立即绑定。所以，'listening'回调可以立即被调用。问题是.on（'listening'）回调不会在那个时候设置。

为了解决这个问题，'listening'事件在nextTick（）中排队等待脚本运行完成。这允许用户设置他们想要的任何事件处理程序。

process.nextTick（）vs setImmediate（）

就用户而言，我们有两个类似的调用，但他们的名字很混乱。

process.nextTick（）立即在同一阶段触发
setImmediate（）触发以下迭代或事件循环的“打勾”

实质上，名称应该交换。 process.nextTick（）比setImmediate（）立即触发更多，但这是过去的人为因素，不太可能改变。制作这个开关会在npm上打破大部分的软件包。每天都有更多的新模块被添加，这意味着我们每天都在等待，发生更多潜在的破坏。虽然他们混淆，名字本身不会改变。

我们建议开发人员在所有情况下使用setImmediate（），因为它更容易推理（并且会导致代码与更广泛的环境兼容，如浏览器JS）。

为什么使用process.nextTick()?

有如下两个主要原因：

允许用户处理错误，清理任何不需要的资源，或者可能在事件循环继续之前再次尝试请求。
有时需要在调用堆栈解除后，但事件循环继续之前，允许回调运行。

一个例子是匹配用户的期望。简单的例子：

const server = net.createServer();
server.on('connection', (conn) => { });

server.listen(8080);
server.on('listening', () => { });

假设listen（）在事件循环的开始处运行，但监听回调放置在setImmediate（）中。除非传递主机名，否则绑定到端口将立即发生。要继续进行事件循环，它必须进入轮询阶段，这意味着有一个非零的机会可以收到连接，允许在监听事件之前触发连接事件。

另一个例子是运行一个函数构造函数，该函数构造函数是从EventEmitter继承的，并且它想要在构造函数中调用一个事件：

const EventEmitter = require('events');
const util = require('util');

function MyEmitter() {
  EventEmitter.call(this);
  this.emit('event');
}
util.inherits(MyEmitter, EventEmitter);

const myEmitter = new MyEmitter();
myEmitter.on('event', () => {
  console.log('an event occurred!');
});

您不能立即从构造函数发出事件，因为脚本不会处理到用户为该事件分配回调的位置。因此，在构造函数本身中，可以使用process.nextTick（）在构造函数完成后设置一个回调来发出事件，这会提供预期的结果：

const EventEmitter = require('events');
const util = require('util');

function MyEmitter() {
  EventEmitter.call(this);

  // 一旦处理程序被分配，使用nextTick来发出事件
  process.nextTick(() => {
    this.emit('event');
  });
}
util.inherits(MyEmitter, EventEmitter);

const myEmitter = new MyEmitter();
myEmitter.on('event', () => {
  console.log('an event occurred!');
});