深入理解NodeJS事件循环机制

导读

ALL THE TIME，我们写的的大部分javascript代码都是在浏览器环境下编译运行的，因此可能我们对浏览器的事件循环机制了解比Node.JS的事件循环更深入一些，但是最近写开始深入NodeJS学习的时候，发现NodeJS的事件循环机制和浏览器端有很大的区别，特此记录来深入的学习了下，以帮助自己及小伙伴们忘记后查阅及理解。

参考资料：

什么是事件循环

首先我们需要了解一下最基础的一些东西，比如这个事件循环，事件循环是指Node.js执行非阻塞I/O操作，尽管==JavaScript是单线程的==,但由于大多数==内核都是多线程==的，Node.js会尽可能将操作装载到系统内核。因此它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，内核会告诉Node.js，以便Node.js可以将相应的回调添加到轮询队列中以最终执行。

当Node.js启动时会初始化event loop, 每一个event loop都会包含按如下顺序六个循环阶段：

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

1. timers 阶段: 这个阶段执行 setTimeout(callback) 和 setInterval(callback) 预定的 callback;
2. I/O callbacks 阶段: 此阶段执行某些系统操作的回调，例如TCP错误的类型。例如，如果TCP套接字在尝试连接时收到 ECONNREFUSED，则某些* nix系统希望等待报告错误。这将操作将等待在==I/O回调阶段==执行;
3. idle, prepare 阶段: 仅node内部使用;
4. poll 阶段: 获取新的I/O事件, 例如操作读取文件等等，适当的条件下node将阻塞在这里;
5. check 阶段: 执行 setImmediate() 设定的callbacks;
6. close callbacks 阶段: 比如 socket.on(‘close’, callback) 的callback会在这个阶段执行;

事件循环详解

这个图是整个 Node.js 的运行原理，从左到右，从上到下，Node.js 被分为了四层，分别是 应用层、V8引擎层、Node API层 和 LIBUV层。

应用层：即 JavaScript 交互层，常见的就是 Node.js 的模块，比如 http，fs

V8引擎层：即利用 V8 引擎来解析JavaScript 语法，进而和下层 API 交互

NodeAPI层：为上层模块提供系统调用，一般是由 C 语言来实现，和操作系统进行交互。

LIBUV层：是跨平台的底层封装，实现了事件循环、文件操作等，是 Node.js 实现异步的核心。

每个循环阶段内容详解

timers阶段 一个timer指定一个下限时间而不是准确时间，在达到这个下限时间后执行回调。在指定时间过后，timers会尽可能早地执行回调，但系统调度或者其它回调的执行可能会延迟它们。

注意：技术上来说，poll 阶段控制 timers 什么时候执行。
注意：这个下限时间有个范围：[1, 2147483647]，如果设定的时间不在这个范围，将被设置为1。

I/O callbacks阶段 这个阶段执行一些系统操作的回调。比如TCP错误，如一个TCP socket在想要连接时收到ECONNREFUSED, 类unix系统会等待以报告错误，这就会放到 I/O callbacks 阶段的队列执行. 名字会让人误解为执行I/O回调处理程序, 实际上I/O回调会由poll阶段处理.

poll阶段 poll 阶段有两个主要功能：（1）执行下限时间已经达到的timers的回调，（2）然后处理 poll 队列里的事件。当event loop进入 poll 阶段，并且没有设定的 timers（there are no timers scheduled），会发生下面两件事之一：

如果 poll 队列不空，event loop会遍历队列并同步执行回调，直到队列清空或执行的回调数到达系统上限；
如果 poll 队列为空，则发生以下两件事之一：
- 如果代码已经被setImmediate()设定了回调, event loop将结束 poll 阶段进入 check 阶段来执行 check 队列（里面的回调 callback）。
- 如果代码没有被setImmediate()设定回调，event loop将阻塞在该阶段等待回调被加入 poll 队列，并立即执行。
但是，当event loop进入 poll 阶段，并且有设定的timers，一旦 poll 队列为空（poll 阶段空闲状态）： event loop将检查timers,如果有1个或多个timers的下限时间已经到达，event loop将绕回 timers 阶段，并执行 timer 队列。

check阶段 这个阶段允许在 poll 阶段结束后立即执行回调。如果 poll 阶段空闲，并且有被setImmediate()设定的回调，event loop会转到 check 阶段而不是继续等待。

setImmediate() 实际上是一个特殊的timer，跑在event loop中一个独立的阶段。它使用libuv的API 来设定在 poll 阶段结束后立即执行回调。
通常上来讲，随着代码执行，event loop终将进入 poll 阶段，在这个阶段等待 incoming connection, request 等等。但是，只要有被setImmediate()设定了回调，一旦 poll 阶段空闲，那么程序将结束 poll 阶段并进入 check 阶段，而不是继续等待 poll 事件们（poll events）。

close callbacks 阶段 如果一个 socket 或 handle 被突然关掉（比如 socket.destroy()），close事件将在这个阶段被触发，否则将通过process.nextTick()触发

这里呢，我们通过伪代码来说明一下，这个流程：

// 事件循环本身相当于一个死循环，当代码开始执行的时候，事件循环就已经启动了
// 然后顺序调用不同阶段的方法
while(true){
// timer阶段
	timer()
// I/O callbacks阶段
	IO()
// idle阶段
	IDLE()
// poll阶段
	poll()
// check阶段
	check()
// close阶段
	close()
}
// 在一次循环中，当事件循环进入到某一阶段，加入进入到check阶段，突然timer阶段的事件就绪，也会等到当前这次循环结束，再去执行对应的timer阶段的回调函数 
// 下面看这里例子
const fs = require('fs')

// timers阶段
const startTime = Date.now();
setTimeout(() => {
    const endTime = Date.now()
    console.log(`timers: ${endTime - startTime}`)
}, 1000)

// poll阶段(等待新的事件出现)
const readFileStart =  Date.now();
fs.readFile('./Demo.txt', (err, data) => {
    if (err) throw err
    let endTime = Date.now()
    // 获取文件读取的时间
    console.log(`read time: ${endTime - readFileStart}`)
    // 通过while循环将fs回调强制阻塞5000s
    while(endTime - readFileStart < 5000){
        endTime = Date.now()
    }

})


// check阶段
setImmediate(() => {
    console.log('check阶段')
})
/*控制台打印
check阶段
read time: 9
timers: 5008
通过上述结果进行分析，
1.代码执行到定时器setTimeOut，目前timers阶段对应的事件列表为空，在1000s后才会放入事件
2.事件循环进入到poll阶段，开始不断的轮询监听事件
3.fs模块异步执行，根据文件大小，可能执行时间长短不同，这里我使用的小文件，事件大概在9s左右
4.setImmediate执行，poll阶段暂时未监测到事件，发现有setImmediate函数，跳转到check阶段执行check阶段事件（打印check阶段），第一次时间循环结束，开始下一轮事件循环
5.因为时间仍未到定时器截止时间，所以事件循环有一次进入到poll阶段，进行轮询
6.读取文件完毕，fs产生了一个事件进入到poll阶段的事件队列，此时事件队列准备执行callback，所以会打印（read time: 9），人工阻塞了5s，虽然此时timer定时器事件已经被添加，但是因为这一阶段的事件循环为完成，所以不会被执行，（如果这里是死循环，那么定时器代码永远无法执行）
7.fs回调阻塞5s后，当前事件循环结束，进入到下一轮事件循环，发现timer事件队列有事件，所以开始执行 打印timers: 5008

ps：
1.将定时器延迟时间改为5ms的时候，小于文件读取时间，那么就会先监听到timers阶段有事件进入，从而进入到timers阶段执行，执行完毕继续进行事件循环
check阶段
timers: 6
read time: 5008
2.将定时器事件设置为0ms，会在进入到poll阶段的时候发现timers阶段已经有callback，那么会直接执行，然后执行完毕在下一阶段循环，执行check阶段，poll队列的回调函数
timers: 2
check阶段
read time: 7
 */

走进案例解析

我们来看一个简单的EventLoop的例子：

const fs = require('fs');
let counts = 0;

// 定义一个 wait 方法
function wait (mstime) {
  let date = Date.now();
  while (Date.now() - date < mstime) {
    // do nothing
  }
}

// 读取本地文件 操作IO
function asyncOperation (callback) {
  fs.readFile(__dirname + '/' + __filename, callback);
}

const lastTime = Date.now();

// setTimeout
setTimeout(() => {
  console.log('timers', Date.now() - lastTime + 'ms');
}, 0);

// process.nextTick
process.nextTick(() => {
  // 进入event loop
  // timers阶段之前执行
  wait(20);
  asyncOperation(() => {
    console.log('poll');
  });  
});

/**
 * timers 21ms
 * poll
 */

这里呢，为了让这个setTimeout优先于fs.readFile 回调, 执行了process.nextTick, 表示在进入timers阶段前, 等待20ms后执行文件读取.

1. `nextTick` 与 `setImmediate`

process.nextTick 不属于事件循环的任何一个阶段，它属于该阶段与下阶段之间的过渡, 即本阶段执行结束, 进入下一个阶段前, 所要执行的回调。有给人一种插队的感觉.
setImmediate 的回调处于check阶段, 当poll阶段的队列为空, 且check阶段的事件队列存在的时候，切换到check阶段执行.

nextTick 递归的危害

由于nextTick具有插队的机制，nextTick的递归会让事件循环机制无法进入下一个阶段. 导致I/O处理完成或者定时任务超时后仍然无法执行, 导致了其它事件处理程序处于饥饿状态. 为了防止递归产生的问题, Node.js 提供了一个 process.maxTickDepth (默认 1000)。

const fs = require('fs');
let counts = 0;

function wait (mstime) {
  let date = Date.now();
  while (Date.now() - date < mstime) {
    // do nothing
  }
}

function nextTick () {
  process.nextTick(() => {
    wait(20);
    console.log('nextTick');
    nextTick();
  });
}

const lastTime = Date.now();

setTimeout(() => {
  console.log('timers', Date.now() - lastTime + 'ms');
}, 0);

nextTick();

此时永远无法跳到timer阶段去执行setTimeout里面的回调方法, 因为在进入timers阶段前有不断的nextTick插入执行. 除非执行了1000次到了执行上限，所以上面这个案例会不断地打印出nextTick字符串

2. `setImmediate`

如果在一个I/O周期内进行调度，setImmediate() 将始终在任何定时器（setTimeout、setInterval）之前执行.

3. `setTimeout` 与 `setImmediate`

setImmediate()被设计在 poll 阶段结束后立即执行回调；
setTimeout()被设计在指定下限时间到达后执行回调;

无 I/O 处理情况下：

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

setImmediate(function immediate () {
  console.log('immediate');
});

执行结果：

C:\Users\92809\Desktop\node_test>node test.js
timeout
immediate

C:\Users\92809\Desktop\node_test>node test.js
timeout
immediate

C:\Users\92809\Desktop\node_test>node test.js
timeout
immediate

C:\Users\92809\Desktop\node_test>node test.js
immediate
timeout

从结果，我们可以发现，这里打印输出出来的结果，并没有什么固定的先后顺序，偏向于随机，为什么会发生这样的情况呢？

答：首先进入的是timers阶段，如果我们的机器性能一般，那么进入timers阶段，1ms已经过去了 ==(setTimeout(fn, 0)等价于setTimeout(fn, 1))==，那么setTimeout的回调会首先执行。

如果没有到1ms，那么在timers阶段的时候，下限时间没到，setTimeout回调不执行，事件循环来到了poll阶段，这个时候队列为空，于是往下继续，先执行了setImmediate()的回调函数，之后在下一个事件循环再执行setTimemout的回调函数。

问题总结：而我们在==执行启动代码==的时候，进入timers的时间延迟其实是==随机的==，并不是确定的，所以会出现两个函数执行顺序随机的情况。

那我们再来看一段代码：

var fs = require('fs')

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

打印结果如下：

C:\Users\92809\Desktop\node_test>node test.js
immediate
timeout

C:\Users\92809\Desktop\node_test>node test.js
immediate
timeout

C:\Users\92809\Desktop\node_test>node test.js
immediate
timeout

# ... 省略 n 多次使用 node test.js 命令 ，结果都输出 immediate timeout

这里，为啥和上面的随机timer不一致呢，我们来分析下原因：

原因如下：fs.readFile的回调是在poll阶段执行的，当其回调执行完毕之后，poll队列为空，而setTimeout入了timers的队列，此时有代码 setImmediate()，于是事件循环先进入check阶段执行回调，之后在下一个事件循环再在timers阶段中执行回调。

当然，下面的小案例同理：

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

以上的代码在timers阶段执行外部的setTimeout回调后，内层的setTimeout和setImmediate入队，之后事件循环继续往后面的阶段走，走到poll阶段的时候发现队列为空，此时有代码有setImmedate()，所以直接进入check阶段执行响应回调（==注意这里没有去检测timers队列中是否有成员到达下限事件，因为setImmediate()优先==）。之后在第二个事件循环的timers阶段中再去执行相应的回调。

综上所演示，我们可以总结如下：

如果两者都在主模块中调用，那么执行先后取决于进程性能，也就是你的电脑好撇，当然也就是随机。
如果两者都不在主模块调用（被一个异步操作包裹），那么**setImmediate的回调永远先执行**。

4. `nextTick` 与 `Promise`

概念：对于这两个，我们可以把它们理解成一个微任务。也就是说，它其实不属于事件循环的一部分。那么他们是在什么时候执行呢？不管在什么地方调用，他们都会在其所处的事件循环最后，事件循环进入下一个循环的阶段前执行。

setTimeout(() => {
    console.log('timeout0');
    new Promise((resolve, reject) => { resolve('resolved') }).then(res => console.log(res));
    new Promise((resolve, reject) => {
      setTimeout(()=>{
        resolve('timeout resolved')
      })
    }).then(res => console.log(res));
    process.nextTick(() => {
        console.log('nextTick1');
        process.nextTick(() => {
            console.log('nextTick2');
        });
    });
    process.nextTick(() => {
        console.log('nextTick3');
    });
    console.log('sync');
    setTimeout(() => {
        console.log('timeout2');
    }, 0);
}, 0);

控制台打印如下：

C:\Users\92809\Desktop\node_test>node test.js
timeout0
sync
nextTick1
nextTick3
nextTick2
resolved
timeout2
timeout resolved

最总结：timers阶段执行外层setTimeout的回调，遇到同步代码先执行，也就有timeout0、sync的输出。遇到process.nextTick及Promise后入微任务队列，依次nextTick1、nextTick3、nextTick2、resolved入队后出队输出。之后，在下一个事件循环的timers阶段，执行setTimeout回调输出timeout2以及微任务Promise里面的setTimeout，输出timeout resolved。（这里要说明的是微任务nextTick优先级要比Promise要高）

5. 最后案例

代码片段1：

setImmediate(function(){
  console.log("setImmediate");
  setImmediate(function(){
    console.log("嵌套setImmediate");
  });
  process.nextTick(function(){
    console.log("nextTick");
  })
});

/* 
	C:\Users\92809\Desktop\node_test>node test.js
	setImmediate
	nextTick
	嵌套setImmediate
*/

解析：

事件循环check阶段执行回调函数输出setImmediate，之后输出nextTick。嵌套的setImmediate在下一个事件循环的check阶段执行回调输出嵌套的setImmediate。

代码片段2：

async function async1(){
    console.log('async1 start')
    await async2()
    console.log('async1 end')
  }
async function async2(){
    console.log('async2')
}
console.log('script start')
setTimeout(function(){
    console.log('setTimeout0') 
},0)  
setTimeout(function(){
    console.log('setTimeout3') 
},3)  
setImmediate(() => console.log('setImmediate'));
process.nextTick(() => console.log('nextTick'));
async1();
new Promise(function(resolve){
    console.log('promise1')
    resolve();
    console.log('promise2')
}).then(function(){
    console.log('promise3')
})
console.log('script end')

打印结果为：

C:\Users\92809\Desktop\node_test>node test.js
script start
async1 start
async2
promise1
promise2
script end
nextTick
promise3
async1 end
setTimeout0
setTimeout3
setImmediate

大家呢，可以先看着代码，默默地在心底走一变代码，然后对比输出的结果，当然最后三位，我个人认为是有点问题的，毕竟在主模块运行，大家的答案，最后三位可能会有偏差；

深入理解NodeJS事件循环机制

导读

什么是事件循环

事件循环详解

每个循环阶段内容详解

走进案例解析

1. nextTick 与 setImmediate

nextTick 递归的危害

2. setImmediate

3. setTimeout 与 setImmediate

4. nextTick 与 Promise

5. 最后案例

1. `nextTick` 与 `setImmediate`

2. `setImmediate`

3. `setTimeout` 与 `setImmediate`

4. `nextTick` 与 `Promise`