详解JavaScript运行机制以及概念分析

对JavaScript有个很模糊的印象，它是单线程异步的。本文主要来说说JavaScript到底是怎么运行的。但在这之前，让我们先理一下这些概念（现学现卖）。

基本概念

线程与进程

进程(Process)是系统资源分配和调度的单元。一个运行着的程序就对应了一个进程。一个进程包括了运行中的程序和程序所使用到的内存和系统资源。如果是单核CPU的话，在同一时间内，有且只有一个进程在运行。但是，单核CPU也能实现多任务同时运行，比如你边听网易云音乐的每日推荐歌曲，边在网易有道云笔记上写博文。这算开了两个进程（多进程），那运行的机制就是一会儿播放一下歌，一会儿响应一下你的打字，但由于CPU切换的速度很快，你根本感觉不到，以至于你认为这两个进程是在同时运行的。进程之间是资源隔离的。

那线程(Thread)是什么？线程是进程下的执行者，一个进程至少会开启一个线程（主线程），也可以开启多个线程。比如网易云音乐一边播放音频，一边显示歌词。多进程的运行其实也就是通过进程中的线程来执行的。一个进程下的线程是共享资源的。当多个线程同时操作同一个资源的时候，就出现资源争抢的问题。这又是另外一个问题了。

并行与并发

并行(Parallelism)是指程序的运行状态，在同一个时间内有几件事情并行在处理。由于一个线程在同一时间只能处理一件事情，所以并行需要多个线程在同一时间执行多件事情。

而并发(Concurrency)是指程序的设计结构，在同一时间内多件事情能被交替地处理。重点是，在某个时间内只有一件事情在执行。比如单核CPU能实现多任务运行的过程就是并发的。

同步与异步

同步异步是指程序的行为。同步(Synchronous)是程序发出调用的时候，一直等待直到返回结果，没有结果之前不会返回。也就是说，同步是调用者主动等待调用过程。

异步(Asynchronous)是发出调用之后，马上返回，但是不会马上返回结果。调用者不必主动等待，当被调用者得到结果之后会主动通知调用者。

举个例子，去奶茶店买饮料。同步就是，一个顾客说出需求（请求），然后一直等着服务员做好饮料，顾客拿到自己点的饮料之后才离开；然后下一个顾客继续重复上述过程。异步就是，顾客先排队点单，点完之后拿着单子在一边，等服务员做好之后会叫号，叫到你了你去拿就好。

所以线程跟同步异步没有直接的关系，单线程也是可以实现异步的。至于实现的方式，下面会具体说到。

阻塞与非阻塞

阻塞与非阻塞是指等待状态。阻塞(Blocking)是指调用在等待的过程中线程被“挂起”（CPU资源被分配到其他地方去了）。

非阻塞(Non-blocking)是指等待的过程CPU资源还在该线程中，线程还能做其他的事情。

以刚才排队买饮料的例子，阻塞就是你在等待的时候什么事情也做不了，而非阻塞是你在等待的时候可以管自己先做其他的事情。

所以，同步可以阻塞也可以非阻塞，异步可以阻塞也可以非阻塞。

单线程的JS

大概理清楚上述概念之后呢，就知道单线程和异步是没有矛盾的。那JS是如何执行的呢？JS其实就是一门语言，说是单线程还是多线程得结合具体运行环境。JS的运行通常是在浏览器中进行的，具体由JS引擎去解析和运行。下面我们来具体了解一下浏览器。

浏览器

目前最为流行的浏览器为：Chrome，IE，Safari，FireFox，Opera。浏览器的内核是多线程的。一个浏览器通常由以下几个常驻的线程：

• 渲染引擎线程：顾名思义，该线程负责页面的渲染

• JS引擎线程：负责JS的解析和执行

• 定时触发器线程：处理定时事件，比如setTimeout, setInterval

• 事件触发线程：处理DOM事件

• 异步http请求线程：处理http请求

需要注意的是，渲染线程和JS引擎线程是不能同时进行的。渲染线程在执行任务的时候，JS引擎线程会被挂起。因为JS可以操作DOM，若在渲染中JS处理了DOM，浏览器可能就不知所措了。

JS引擎

通常讲到浏览器的时候，我们会说到两个引擎：渲染引擎和JS引擎。渲染引擎就是如何渲染页面，Chrome／Safari／Opera用的是Webkit引擎，IE用的是Trident引擎，FireFox用的是Gecko引擎。不同的引擎对同一个样式的实现不一致，就导致了经常被人诟病的浏览器样式兼容性问题。这里我们不做具体讨论。

JS引擎可以说是JS虚拟机，负责JS代码的解析和执行。通常包括以下几个步骤：

• 词法分析：将源代码分解为有意义的分词

• 语法分析：用语法分析器将分词解析成语法树

• 代码生成：生成机器能运行的代码

• 代码执行

不同浏览器的JS引擎也各不相同，Chrome用的是V8，FireFox用的是SpiderMonkey，Safari用的是JavaScriptCore，IE用的是Chakra。

回到JS是单线程这句话，本质上来说，是浏览器在运行时只开启了一个JS引擎线程来解析和执行JS。那为什么只有一个引擎呢？如果同时有两个线程去操作DOM，浏览器是不是又要不知所措了？！

JS运行机制

说了这么多之后，终于我们要说到JS的整个运行过程了。

同步执行

我们先看下JS同步执行过程是怎么做到的？这就涉及到了一个很重要的概念——执行上下文。我的一篇译文深入学习JavaScript闭包很详细地说明了这个概念。

执行上下文记录了代码运行时的环境，当前运行状态下有且有一个执行上下文在起作用。那执行上下文到底记录了什么呢？大概有词法环境，变量环境等。举个简单的例子：

var x = 10;

function foo(){
    var y=20;
    function bar(){
        var z=15; 
    }
    bar();
}

foo();

代码运行，首先进入全局上下文。然后执行foo()的时候，就进入了foo上下文，当然此时全局上下文还在。当执行 bar()的时候，又进入了bar上下文。执行完毕bar()，回到foo上下文。执行完foo()，又回到全局上下文。所以，执行过程执行上下文会形成一个调用栈(Call stack)，先进后出。

// 进栈
                                                          3 bar Context
    =>                      =>   2 foo Context     =>     2 foo Context
        1 global Context         1 global Context         1 global Context

// 出栈
3 bar Context
2 foo Context     =>   2 foo Context     =>                        =>
1 global Context       1 global Context         1 global Context

在JS执行过程中，有且仅有一个执行上下文在起作用。因为JS是单线程的，一次只能做一件事。

以上的过程都是同步执行的。

异步执行——事件循环

我们回顾一下JS中自带了哪些原生的异步事件：

• setTimeout

• setInterval

• 事件监听

• Ajax请求

• etc..

JS异步的效果得益于浏览器的执行环境。实际上，浏览器又开了线程来处理这些BOM事件。举例：

function foo(){
    console.log(1);
}

function bar(){
    console.log(2);
}

foo();

setTimeout(function cb(){
    console.log(3);
});

bar();

按照上一节的分析，首先进入全局上下文，运行至foo()，进入了foo上下文环境；执行console.log(1)，控制台输出1；foo上下文环境出栈，运行至setTimeout，交给浏览器的定时处理线程；运行至bar()，进入了bar上下文环境；执行console.log(2)，控制台输出2；foo上下文环境出栈；等到浏览器线程执行完setTimeout，返回cb()回调函数至当前任务队列；当发现执行栈为空时，浏览器的JS引擎会执行一次循环，将事件队列的队首出队至JS执行栈中；执行cb()，进入cb上下文环境；执行console.log(3)，控制台输出3；事件队列为空，全局上下文出栈。

以上就是JS引擎的事件循环机制，是实现异步的一种机制。主要涉及到浏览器线程，任务队列以及JS引擎。所以，我们可以看出，JS的异步请求，借助了而它所在的运行环境浏览器来处理并且返回结果。而且，这也解释了为什么那些回调函数的this指向window，因为这些异步的代码都是在全局上下文环境下执行的。

后话：不知道自己理解对了没有，也不知道说得清楚不清楚。不当之处，欢迎指出。

参考资料：

• JavaScript：彻底理解同步、异步和事件循环(Event Loop)

• 还在疑惑并发和并行？

• IMWeb社区 浏览器进程？线程？傻傻分不清楚！

• Javascript是单线程的深入分析

• JavaScript单线程和浏览器事件循环简述

• AlloyTeam 【转向Javascript系列】从setTimeout说事件循环模型

• 小胡子哥 JavaScript异步编程原理

• 阮一峰 JavaScript 运行机制详解：再谈Event Loop

• 【朴灵评注】JavaScript 运行机制详解：再谈Event Loop

• Philip Roberts: Help, I’m stuck in an event-loop.

• Philip Roberts: What the heck is the event loop anyway?

• jquery中Ajax的异步和同步

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