Nodeのイベントループとprocess.nextTick()を理解する

この記事では、Nodejsのイベントループを理解し、イベントループの仕組みやprocess.nextTick()などを分析していきます。皆様のお役に立てれば幸いです。

イベント ループとは

イベント ループは、JavaScript がシングルスレッド - - 可能であれば、操作をシステム カーネルに移動します。

現在のカーネルのほとんどはマルチスレッドであるため、バックグラウンドでさまざまな操作を処理できます。いずれかの操作が完了すると、カーネルは Node.js に適切なコールバック関数をポーリング キューに追加して実行を待つように通知します。この記事の後半で詳しく紹介します。

イベント ループ メカニズムの分析

Node.js が開始されると、イベント ループが初期化され、提供された入力スクリプトが処理されます (または、それを REPL にスローされます)。この記事では説明していませんが)、いくつかの非同期 API を呼び出したり、タイマーをスケジュールしたり、process.nextTick() を呼び出したりして、イベント ループの処理を開始することがあります。

下の図は、イベント ループの一連の操作の概要を簡略化して示しています。

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

注: 各ボックスは、イベント ループ メカニズムのステージと呼ばれます。

各ステージには、コールバックを実行するための FIFO キューがあります。各ステージは特殊ですが、通常、イベント ループが特定のステージに入ると、そのステージに固有の操作が実行され、キューが使い果たされるか最大数のコールバックが実行されるまで、そのステージのキュー内のコールバックが実行されます。キューが使い果たされるか、コールバック制限に達すると、イベント ループは次のフェーズに移行します。

これらの操作のいずれかが、 polling フェーズ中に処理されるようにカーネルによってキューに追加される _more_ 操作と新しいイベントをスケジュールする可能性があるため、ポーリング内のイベントの処理中に、ポーリング イベントをキューに入れることができます。 。したがって、コールバックの実行時間が長いと、ポーリング フェーズがタイマーのしきい値時間を超えて実行される可能性があります。詳細については、「タイマー」および「ポーリング」セクションを参照してください。

注: Windows 実装と Unix/Linux 実装の間には微妙な違いがありますが、これはデモの目的では重要ではありません。最も重要な部分はここです。実際には 7 つまたは 8 つのステップがありますが、ここで重要なのは、Node.js が実際に上記のステップの一部を使用しているということです。

フェーズの概要

• Timer: このフェーズの実行は setTimeout() および setInterval( ) コールバック関数のスケジュール。
• 保留中のコールバック : 次のループ反復まで実行が遅延される I/O コールバック。
• idle、prepare: システムによって内部的にのみ使用されます。
• ポーリング: 新しい I/O イベントを取得し、I/O 関連のコールバックを実行します (シャットダウン コールバックを除くほとんどの場合、タイマーと setImmediate() によって処理されます スケジューリングを除く)、その他の場合、ノードは適切なタイミングでここでブロックされます。
• 検出: setImmediate() ここでコールバック関数が実行されます。
• クローズド コールバック関数: socket.on('close', ...) などのいくつかのクローズド コールバック関数。

イベント ループの各実行の間に、Node.js は非同期 I/O またはタイマーを待機しているかどうかを確認し、待機していない場合は完全にシャットダウンします。

フェーズの詳細な概要

タイマー

タイマーは、指定されたコールバックの代わりに実行できる しきい値 を指定します。 user 実行の正確な時間を予想します。指定された間隔が経過すると、タイマー コールバックができるだけ早く実行されます。ただし、オペレーティング システムのスケジューリングや他の実行中のコールバックによって遅延する可能性があります。

注: ポーリング フェーズは、タイマーの実行時期を制御します。

たとえば、100 ミリ秒後にタイムアウトするタイマーをスケジュールした後、スクリプトが 95 ミリ秒かかるファイルの非同期読み取りを開始するとします。

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
  }
});

当事件循环进入 轮询 阶段时，它有一个空队列（此时 fs.readFile() 尚未完成），因此它将等待剩下的毫秒数，直到达到最快的一个计时器阈值为止。当它等待 95 毫秒过后时，fs.readFile() 完成读取文件，它的那个需要 10 毫秒才能完成的回调，将被添加到 轮询 队列中并执行。当回调完成时，队列中不再有回调，因此事件循环机制将查看最快到达阈值的计时器，然后将回到 计时器 阶段，以执行定时器的回调。在本示例中，您将看到调度计时器到它的回调被执行之间的总延迟将为 105 毫秒。

注意：为了防止 轮询 阶段饿死事件循环，libuv（实现 Node.js 事件循环和平台的所有异步行为的 C 函数库），在停止轮询以获得更多事件之前，还有一个硬性最大值（依赖于系统）。

挂起的回调函数

此阶段对某些系统操作（如 TCP 错误类型）执行回调。例如，如果 TCP 套接字在尝试连接时接收到 ECONNREFUSED，则某些 *nix 的系统希望等待报告错误。这将被排队以在 挂起的回调 阶段执行。

轮询

轮询 阶段有两个重要的功能：

• 计算应该阻塞和轮询 I/O 的时间。

• 然后，处理 轮询 队列里的事件。

当事件循环进入 轮询 阶段且_没有被调度的计时器时_，将发生以下两种情况之一：

• 如果 轮询 队列 不是空的

  ，事件循环将循环访问回调队列并同步执行它们，直到队列已用尽，或者达到了与系统相关的硬性限制。

• 如果 轮询 队列 是空的，还有两件事发生：

  • 如果脚本被 setImmediate() 调度，则事件循环将结束 轮询 阶段，并继续 检查 阶段以执行那些被调度的脚本。

  • 如果脚本 未被 setImmediate()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。

一旦 轮询 队列为空，事件循环将检查 _已达到时间阈值的计时器_。如果一个或多个计时器已准备就绪，则事件循环将绕回计时器阶段以执行这些计时器的回调。

检查阶段

此阶段允许人员在轮询阶段完成后立即执行回调。如果轮询阶段变为空闲状态，并且脚本使用 setImmediate() 后被排列在队列中，则事件循环可能继续到 检查 阶段而不是等待。

setImmediate() 实际上是一个在事件循环的单独阶段运行的特殊计时器。它使用一个 libuv API 来安排回调在 轮询 阶段完成后执行。

通常，在执行代码时，事件循环最终会命中轮询阶段，在那等待传入连接、请求等。但是，如果回调已使用 setImmediate()调度过，并且轮询阶段变为空闲状态，则它将结束此阶段，并继续到检查阶段而不是继续等待轮询事件。

关闭的回调函数

如果套接字或处理函数突然关闭（例如 socket.destroy()），则'close' 事件将在这个阶段发出。否则它将通过 process.nextTick() 发出。

setImmediate() 对比 setTimeout()

setImmediate() 和 setTimeout() 很类似，但是基于被调用的时机，他们也有不同表现。

• setImmediate() 设计为一旦在当前 轮询 阶段完成， 就执行脚本。
• setTimeout() 在最小阈值（ms 单位）过后运行脚本。

执行计时器的顺序将根据调用它们的上下文而异。如果二者都从主模块内调用，则计时器将受进程性能的约束（这可能会受到计算机上其他正在运行应用程序的影响）。

例如，如果运行以下不在 I/O 周期（即主模块）内的脚本，则执行两个计时器的顺序是非确定性的，因为它受进程性能的约束：

// 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，如果你把这两个函数放入一个 I/O 循环内调用，setImmediate 总是被优先调用：

// 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() 相对于setTimeout() 的主要优势是，如果setImmediate()是在 I/O 周期内被调度的，那它将会在其中任何的定时器之前执行，跟这里存在多少个定时器无关

process.nextTick()

理解 process.nextTick()

您可能已经注意到 process.nextTick() 在图示中没有显示，即使它是异步 API 的一部分。这是因为 process.nextTick() 从技术上讲不是事件循环的一部分。相反，它都将在当前操作完成后处理 nextTickQueue， 而不管事件循环的当前阶段如何。这里的一个_操作_被视作为一个从底层 C/C++ 处理器开始过渡，并且处理需要执行的 JavaScript 代码。

回顾我们的图示，任何时候在给定的阶段中调用 process.nextTick()，所有传递到 process.nextTick() 的回调将在事件循环继续之前解析。这可能会造成一些糟糕的情况，因为它允许您通过递归 process.nextTick()调用来“饿死”您的 I/O，阻止事件循环到达 轮询 阶段。

为什么会允许这样？

为什么这样的事情会包含在 Node.js 中？它的一部分是一个设计理念，其中 API 应该始终是异步的，即使它不必是。以此代码段为例：

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

代码段进行参数检查。如果不正确，则会将错误传递给回调函数。最近对 API 进行了更新，允许传递参数给 process.nextTick()，这将允许它接受任何在回调函数位置之后的参数，并将参数传递给回调函数作为回调函数的参数，这样您就不必嵌套函数了。

我们正在做的是将错误传回给用户，但仅在执行用户的其余代码之后。通过使用process.nextTick()，我们保证 apiCall() 始终在用户代码的其余部分_之后_和在让事件循环继续进行_之前_，执行其回调函数。为了实现这一点，JS 调用栈被允许展开，然后立即执行提供的回调，允许进行递归调用 process.nextTick()，而不触碰 RangeError: 超过 V8 的最大调用堆栈大小 限制。

这种设计原理可能会导致一些潜在的问题。 以此代码段为例：

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;

用户将 someAsyncApiCall() 定义为具有异步签名，但实际上它是同步运行的。当调用它时，提供给 someAsyncApiCall() 的回调是在事件循环的同一阶段内被调用，因为 someAsyncApiCall() 实际上并没有异步执行任何事情。结果，回调函数在尝试引用 bar，但作用域中可能还没有该变量，因为脚本尚未运行完成。

通过将回调置于 process.nextTick() 中，脚本仍具有运行完成的能力，允许在调用回调之前初始化所有的变量、函数等。它还具有不让事件循环继续的优点，适用于让事件循环继续之前，警告用户发生错误的情况。下面是上一个使用 process.nextTick() 的示例：

let bar;

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

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

bar = 1;

这又是另外一个真实的例子：

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

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

只有传递端口时，端口才会立即被绑定。因此，可以立即调用 'listening' 回调。问题是 .on('listening') 的回调在那个时间点尚未被设置。

为了绕过这个问题，'listening' 事件被排在 nextTick() 中，以允许脚本运行完成。这让用户设置所想设置的任何事件处理器。

process.nextTick() 对比 setImmediate()

就用户而言，我们有两个类似的调用，但它们的名称令人费解。

• process.nextTick() 在同一个阶段立即执行。
• setImmediate() 在事件循环的接下来的迭代或 'tick' 上触发。

实质上，这两个名称应该交换，因为 process.nextTick() 比 setImmediate() 触发得更快，但这是过去遗留问题，因此不太可能改变。如果贸然进行名称交换，将破坏 npm 上的大部分软件包。每天都有更多新的模块在增加，这意味着我们要多等待每一天，则更多潜在破坏会发生。尽管这些名称使人感到困惑，但它们本身名字不会改变。

我们建议开发人员在所有情况下都使用 setImmediate()，因为它更容易理解。

为什么要使用 process.nextTick()?

有两个主要原因：

1. 允许用户处理错误，清理任何不需要的资源，或者在事件循环继续之前重试请求。

2. 有时有让回调在栈展开后，但在事件循环继续之前运行的必要。

以下是一个符合用户预期的简单示例：

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

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

假设 listen() 在事件循环开始时运行，但 listening 的回调被放置在 setImmediate() 中。除非传递过主机名，才会立即绑定到端口。为使事件循环继续进行，它必须命中 轮询 阶段，这意味着有可能已经接收了一个连接，并在侦听事件之前触发了连接事件。

另一个示例运行的函数构造函数是从 EventEmitter 继承的，它想调用构造函数：

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!');
});

你不能立即从构造函数中触发事件，因为脚本尚未处理到用户为该事件分配回调函数的地方。因此，在构造函数本身中可以使用 process.nextTick() 来设置回调，以便在构造函数完成后发出该事件，这是预期的结果：

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

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

  // use nextTick to emit the event once a handler is assigned
  process.nextTick(() => {
    this.emit('event');
  });
}
util.inherits(MyEmitter, EventEmitter);

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

来源：https://nodejs.org/en/docs/guides/event-loop-timers-and-nexttick/

更多node相关知识，请访问：nodejs 教程！

以上がNodeのイベントループとprocess.nextTick()を理解するの詳細内容です。詳細については、PHP 中国語 Web サイトの他の関連記事を参照してください。