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一次弄懂Event Loop(彻底解决此类面试问题)

前言

Event Loop即事件循环,是指浏览器或Node的一种解决javaScript单线程运行时不会阻塞的一种机制,也就是我们经常使用异步的原理。

为啥要弄懂Event Loop

  • 是要增加自己技术的深度,也就是懂得JavaScript的运行机制。

  • 现在在前端领域各种技术层出不穷,掌握底层原理,可以让自己以不变,应万变。

  • 应对各大互联网公司的面试,懂其原理,题目任其发挥。

堆,栈、队列

堆(Heap)

是一种数据结构,是利用完全二叉树维护的一组数据,分为两种,一种为最大,一种为最小堆,将根节点最大叫做最大堆大根堆,根节点最小叫做最小堆小根堆
线性数据结构,相当于一维数组,有唯一后继。

如最大堆

栈(Stack)

在计算机科学中是限定仅在表尾进行插入删除操作的线性表。 是一种数据结构,它按照后进先出的原则存储数据,先进入的数据被压入栈底最后的数据栈顶,需要读数据的时候从栈顶开始弹出数据
是只能在某一端插入删除特殊线性表

队列(Queue)

特殊之处在于它只允许在表的前端(front)进行删除操作,而在表的后端(rear)进行插入操作,和一样,队列是一种操作受限制的线性表。
进行插入操作的端称为队尾,进行删除操作的端称为队头。 队列中没有元素时,称为空队列

队列的数据元素又称为队列元素。在队列中插入一个队列元素称为入队,从队列删除一个队列元素称为出队。因为队列只允许在一端插入,在另一端删除,所以只有最早进入队列的元素才能最先从队列中删除,故队列又称为先进先出FIFO—first in first out

Event Loop

JavaScript中,任务被分为两种,一种宏任务(MacroTask)也叫Task,一种叫微任务(MicroTask)。

MacroTask(宏任务)

  • script全部代码、setTimeoutsetIntervalsetImmediate(浏览器暂时不支持,只有IE10支持,具体可见MDN)、I/OUI Rendering

MicroTask(微任务)

  • Process.nextTick(Node独有)PromiseObject.observe(废弃)MutationObserver(具体使用方式查看这里

浏览器中的Event Loop

Javascript 有一个 main thread 主线程和 call-stack 调用栈(执行栈),所有的任务都会被放到调用栈等待主线程执行。

JS调用栈

JS调用栈采用的是后进先出的规则,当函数执行的时候,会被添加到栈的顶部,当执行栈执行完成后,就会从栈顶移出,直到栈内被清空。

同步任务和异步任务

Javascript单线程任务被分为同步任务异步任务,同步任务会在调用栈中按照顺序等待主线程依次执行,异步任务会在异步任务有了结果后,将注册的回调函数放入任务队列中等待主线程空闲的时候(调用栈被清空),被读取到栈内等待主线程的执行。

任务队列Task Queue,即队列,是一种先进先出的一种数据结构。

事件循环的进程模型

  • 选择当前要执行的任务队列,选择任务队列中最先进入的任务,如果任务队列为空即null,则执行跳转到微任务(MicroTask)的执行步骤。
  • 将事件循环中的任务设置为已选择任务。
  • 执行任务。
  • 将事件循环中当前运行任务设置为null。
  • 将已经运行完成的任务从任务队列中删除。
  • microtasks步骤:进入microtask检查点。
  • 更新界面渲染。
  • 返回第一步。

执行进入microtask检查点时,用户代理会执行以下步骤:

  • 设置microtask检查点标志为true。
  • 当事件循环microtask执行不为空时:选择一个最先进入的microtask队列的microtask,将事件循环的microtask设置为已选择的microtask,运行microtask,将已经执行完成的microtasknull,移出microtask中的microtask
  • 清理IndexDB事务
  • 设置进入microtask检查点的标志为false。

上述可能不太好理解,下图是我做的一张图片。

执行栈在执行完同步任务后,查看执行栈是否为空,如果执行栈为空,就会去检查微任务(microTask)队列是否为空,如果为空的话,就执行Task(宏任务),否则就一次性执行完所有微任务。
每次单个宏任务执行完毕后,检查微任务(microTask)队列是否为空,如果不为空的话,会按照先入先出的规则全部执行完微任务(microTask)后,设置微任务(microTask)队列为null,然后再执行宏任务,如此循环。

举个例子

console.log('script start');

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

Promise.resolve().then(function() {
  console.log('promise1');
}).then(function() {
  console.log('promise2');
});
console.log('script end');
复制代码

首先我们划分几个分类:

第一次执行:

Tasks:run script、 setTimeout callback

Microtasks:Promise then	

JS stack: script	
Log: script start、script end。
复制代码

执行同步代码,将宏任务(Tasks)和微任务(Microtasks)划分到各自队列中。

第二次执行:

Tasks:run script、 setTimeout callback

Microtasks:Promise2 then	

JS stack: Promise2 callback	
Log: script start、script end、promise1、promise2
复制代码

执行宏任务后,检测到微任务(Microtasks)队列中不为空,执行Promise1,执行完成Promise1后,调用Promise2.then,放入微任务(Microtasks)队列中,再执行Promise2.then

第三次执行:

Tasks:setTimeout callback

Microtasks:	

JS stack: setTimeout callback
Log: script start、script end、promise1、promise2、setTimeout
复制代码

当微任务(Microtasks)队列中为空时,执行宏任务(Tasks),执行setTimeout callback,打印日志。

第四次执行:

Tasks:setTimeout callback

Microtasks:	

JS stack: 
Log: script start、script end、promise1、promise2、setTimeout
复制代码

清空Tasks队列和JS stack

以上执行帧动画可以查看Tasks, microtasks, queues and schedules
或许这张图也更好理解些。

再举个例子

console.log('script start')

async function async1() {
  await async2()
  console.log('async1 end')
}
async function async2() {
  console.log('async2 end') 
}
async1()

setTimeout(function() {
  console.log('setTimeout')
}, 0)

new Promise(resolve => {
  console.log('Promise')
  resolve()
})
  .then(function() {
    console.log('promise1')
  })
  .then(function() {
    console.log('promise2')
  })

console.log('script end')
复制代码

这里需要先理解async/await

async/await 在底层转换成了 promisethen 回调函数。
也就是说,这是 promise 的语法糖。
每次我们使用 await, 解释器都创建一个 promise 对象,然后把剩下的 async 函数中的操作放到 then 回调函数中。
async/await 的实现,离不开 Promise。从字面意思来理解,async 是“异步”的简写,而 awaitasync wait 的简写可以认为是等待异步方法执行完成。

关于73以下版本和73版本的区别

  • 在老版本版本以下,先执行promise1promise2,再执行async1
  • 在73版本,先执行async1再执行promise1promise2

主要原因是因为在谷歌(金丝雀)73版本中更改了规范,如下图所示:

  • 区别在于RESOLVE(thenable)和之间的区别Promise.resolve(thenable)

在老版本中

  • 首先,传递给 await 的值被包裹在一个 Promise 中。然后,处理程序附加到这个包装的 Promise,以便在 Promise 变为 fulfilled 后恢复该函数,并且暂停执行异步函数,一旦 promise 变为 fulfilled,恢复异步函数的执行。
  • 每个 await 引擎必须创建两个额外的 Promise(即使右侧已经是一个 Promise)并且它需要至少三个 microtask 队列 tickstick为系统的相对时间单位,也被称为系统的时基,来源于定时器的周期性中断(输出脉冲),一次中断表示一个tick,也被称做一个“时钟滴答”、时标。)。

引用贺老师知乎上的一个例子

async function f() {
  await p
  console.log('ok')
}
复制代码

简化理解为:


function f() {
  return RESOLVE(p).then(() => {
    console.log('ok')
  })
}
复制代码
  • 如果 RESOLVE(p) 对于 ppromise 直接返回 p 的话,那么 pthen 方法就会被马上调用,其回调就立即进入 job 队列。
  • 而如果 RESOLVE(p) 严格按照标准,应该是产生一个新的 promise,尽管该 promise确定会 resolvep,但这个过程本身是异步的,也就是现在进入 job 队列的是新 promiseresolve过程,所以该 promisethen 不会被立即调用,而要等到当前 job 队列执行到前述 resolve 过程才会被调用,然后其回调(也就是继续 await 之后的语句)才加入 job 队列,所以时序上就晚了。

谷歌(金丝雀)73版本中

  • 使用对PromiseResolve的调用来更改await的语义,以减少在公共awaitPromise情况下的转换次数。
  • 如果传递给 await 的值已经是一个 Promise,那么这种优化避免了再次创建 Promise 包装器,在这种情况下,我们从最少三个 microtick 到只有一个 microtick

详细过程:

73以下版本

  • 首先,打印script start,调用async1()时,返回一个Promise,所以打印出来async2 end
  • 每个 await,会新产生一个promise,但这个过程本身是异步的,所以该await后面不会立即调用。
  • 继续执行同步代码,打印Promisescript end,将then函数放入微任务队列中等待执行。
  • 同步执行完成之后,检查微任务队列是否为null,然后按照先入先出规则,依次执行。
  • 然后先执行打印promise1,此时then的回调函数返回undefinde,此时又有then的链式调用,又放入微任务队列中,再次打印promise2
  • 再回到await的位置执行返回的 Promiseresolve 函数,这又会把 resolve 丢到微任务队列中,打印async1 end
  • 微任务队列为空时,执行宏任务,打印setTimeout

谷歌(金丝雀73版本)

  • 如果传递给 await 的值已经是一个 Promise,那么这种优化避免了再次创建 Promise 包装器,在这种情况下,我们从最少三个 microtick 到只有一个 microtick
  • 引擎不再需要为 await 创造 throwaway Promise - 在绝大部分时间。
  • 现在 promise 指向了同一个 Promise,所以这个步骤什么也不需要做。然后引擎继续像以前一样,创建 throwaway Promise,安排 PromiseReactionJobmicrotask 队列的下一个 tick 上恢复异步函数,暂停执行该函数,然后返回给调用者。

具体详情查看(这里)。

NodeJS的Event Loop

Node中的Event Loop是基于libuv实现的,而libuvNode 的新跨平台抽象层,libuv使用异步,事件驱动的编程方式,核心是提供i/o的事件循环和异步回调。libuv的API包含有时间,非阻塞的网络,异步文件操作,子进程等等。 Event Loop就是在libuv中实现的。

NodeEvent loop一共分为6个阶段,每个细节具体如下:

  • timers: 执行setTimeoutsetInterval中到期的callback
  • pending callback: 上一轮循环中少数的callback会放在这一阶段执行。
  • idle, prepare: 仅在内部使用。
  • poll: 最重要的阶段,执行pending callback,在适当的情况下回阻塞在这个阶段。
  • check: 执行setImmediate(setImmediate()是将事件插入到事件队列尾部,主线程和事件队列的函数执行完成之后立即执行setImmediate指定的回调函数)的callback
  • close callbacks: 执行close事件的callback,例如socket.on('close'[,fn])或者http.server.on('close, fn)

具体细节如下:

timers

执行setTimeoutsetInterval中到期的callback,执行这两者回调需要设置一个毫秒数,理论上来说,应该是时间一到就立即执行callback回调,但是由于system的调度可能会延时,达不到预期时间。
以下是官网文档解释的例子:

const fs = require('fs');

function someAsyncOperation(callback) {
  // Assume this takes 95ms to complete
  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);


// do someAsyncOperation which takes 95 ms to complete
someAsyncOperation(() => {
  const startCallback = Date.now();

  // do something that will take 10ms...
  while (Date.now() - startCallback < 10) {
    // do nothing
  }
});
复制代码

当进入事件循环时,它有一个空队列(fs.readFile()尚未完成),因此定时器将等待剩余毫秒数,当到达95ms时,fs.readFile()完成读取文件并且其完成需要10毫秒的回调被添加到轮询队列并执行。
当回调结束时,队列中不再有回调,因此事件循环将看到已达到最快定时器的阈值,然后回到timers阶段以执行定时器的回调。

在此示例中,您将看到正在调度的计时器与正在执行的回调之间的总延迟将为105毫秒。

以下是我测试时间:

pending callbacks

此阶段执行某些系统操作(例如TCP错误类型)的回调。 例如,如果TCP socket ECONNREFUSED在尝试connect时receives,则某些* nix系统希望等待报告错误。 这将在pending callbacks阶段执行。

poll

该poll阶段有两个主要功能:

  • 执行I/O回调。
  • 处理轮询队列中的事件。

当事件循环进入poll阶段并且在timers中没有可以执行定时器时,将发生以下两种情况之一

  • 如果poll队列不为空,则事件循环将遍历其同步执行它们的callback队列,直到队列为空,或者达到system-dependent(系统相关限制)。

如果poll队列为空,则会发生以下两种情况之一

  • 如果有setImmediate()回调需要执行,则会立即停止执行poll阶段并进入执行check阶段以执行回调。

  • 如果没有setImmediate()回到需要执行,poll阶段将等待callback被添加到队列中,然后立即执行。

当然设定了 timer 的话且 poll 队列为空,则会判断是否有 timer 超时,如果有的话会回到 timer 阶段执行回调。

check

此阶段允许人员在poll阶段完成后立即执行回调。
如果poll阶段闲置并且script已排队setImmediate(),则事件循环到达check阶段执行而不是继续等待。

setImmediate()实际上是一个特殊的计时器,它在事件循环的一个单独阶段运行。它使用libuv API来调度在poll阶段完成后执行的回调。

通常,当代码被执行时,事件循环最终将达到poll阶段,它将等待传入连接,请求等。
但是,如果已经调度了回调setImmediate(),并且轮询阶段变为空闲,则它将结束并且到达check阶段,而不是等待poll事件。

console.log('start')
setTimeout(() => {
  console.log('timer1')
  Promise.resolve().then(function() {
    console.log('promise1')
  })
}, 0)
setTimeout(() => {
  console.log('timer2')
  Promise.resolve().then(function() {
    console.log('promise2')
  })
}, 0)
Promise.resolve().then(function() {
  console.log('promise3')
})
console.log('end')
复制代码

如果node版本为v11.x, 其结果与浏览器一致。

start
end
promise3
timer1
promise1
timer2
promise2

复制代码

具体详情可以查看《又被node的eventloop坑了,这次是node的锅》。

如果v10版本上述结果存在两种情况:

  • 如果time2定时器已经在执行队列中了
start
end
promise3
timer1
timer2
promise1
promise2
复制代码
  • 如果time2定时器没有在执行对列中,执行结果为
start
end
promise3
timer1
promise1
timer2
promise2
复制代码

具体情况可以参考poll阶段的两种情况。

从下图可能更好理解:

setImmediate() 的setTimeout()的区别

setImmediatesetTimeout()是相似的,但根据它们被调用的时间以不同的方式表现。

  • setImmediate()设计用于在当前poll阶段完成后check阶段执行脚本 。
  • setTimeout() 安排在经过最小(ms)后运行的脚本,在timers阶段执行。

举个例子

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

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

执行定时器的顺序将根据调用它们的上下文而有所不同。 如果从主模块中调用两者,那么时间将受到进程性能的限制。

其结果也不一致

如果在I / O周期内移动两个调用,则始终首先执行立即回调:

const fs = require('fs');

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

其结果可以确定一定是immediate => timeout
主要原因是在I/O阶段读取文件后,事件循环会先进入poll阶段,发现有setImmediate需要执行,会立即进入check阶段执行setImmediate的回调。

然后再进入timers阶段,执行setTimeout,打印timeout

   ┌───────────────────────────┐
┌─>│           timers          │
│  └─────────────┬─────────────┘
│  ┌─────────────┴─────────────┐
│  │     pending callbacks     │
│  └─────────────┬─────────────┘
│  ┌─────────────┴─────────────┐
│  │       idle, prepare       │
│  └─────────────┬─────────────┘      ┌───────────────┐
│  ┌─────────────┴─────────────┐      │   incoming:   │
│  │           poll            │<─────┤  connections, │
│  └─────────────┬─────────────┘      │   data, etc.  │
│  ┌─────────────┴─────────────┐      └───────────────┘
│  │           check           │
│  └─────────────┬─────────────┘
│  ┌─────────────┴─────────────┐
└──┤      close callbacks      │
   └───────────────────────────┘
复制代码

Process.nextTick()

process.nextTick()虽然它是异步API的一部分,但未在图中显示。这是因为process.nextTick()从技术上讲,它不是事件循环的一部分。

  • process.nextTick()方法将 callback 添加到next tick队列。 一旦当前事件轮询队列的任务全部完成,在next tick队列中的所有callbacks会被依次调用。

换种理解方式:

  • 当每个阶段完成后,如果存在 nextTick 队列,就会清空队列中的所有回调函数,并且优先于其他 microtask 执行。

例子

let bar;

setTimeout(() => {
  console.log('setTimeout');
}, 0)

setImmediate(() => {
  console.log('setImmediate');
})
function someAsyncApiCall(callback) {
  process.nextTick(callback);
}

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

bar = 1;
复制代码

在NodeV10中上述代码执行可能有两种答案,一种为:

bar 1
setTimeout
setImmediate
复制代码

另一种为:

bar 1
setImmediate
setTimeout
复制代码

无论哪种,始终都是先执行process.nextTick(callback),打印bar 1

最后

感谢@Dante_Hu提出这个问题await的问题,文章已经修正。 修改了node端执行结果。V10和V11的区别。

关于await问题参考了以下文章:.

promise, async, await, execution order
Normative: Reduce the number of ticks in async/await
async/await 在chrome 环境和 node 环境的 执行结果不一致,求解?
更快的异步函数和 Promise

其他内容参考了:

JS浏览器事件循环机制
什么是浏览器的事件循环(Event Loop)?
一篇文章教会你Event loop——浏览器和Node
不要混淆nodejs和浏览器中的event loop
浏览器与Node的事件循环(Event Loop)有何区别?
Tasks, microtasks, queues and schedules
前端面试之道
Node.js介绍5-libuv的基本概念
The Node.js Event Loop, Timers, and process.nextTick()
node官网

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